Клеточные механизмы неспецифической защиты

В неспецифическом разрушении клеток и продуктов их распада участвуют такие клетки как натуральные киллеры и фагоциты.

2.3.1. NK-лимфоциты

Единственными представителями зрелых лимфоцитов, способных до формирования антигенспецифичных механизмов обеспечивать иммунную защиту макроорганизма являются натуральные киллеры (NK-лимфоциты или естественные киллеры). Их предшественники мигрируют из красного костного мозга с кровотоком, но отсутствуют в лимфе. Затем одна их часть выполняет свою цитотоксическую функцию в крови (кровяная субпопуляция), а другая (тканевая субпопуляция) после оседания, преимущественно, в печени, селезенке, слизистых и беременной матке.

Функциональное состояние NK-клеток зависит от активности рецепторов на их мембране. Причем, если одни из них способствуют проявлению цитотоксических свойств естественных киллеров, то другие – отменяют ее. Например, рецепторы KIR предотвращают проявления эффекторных свойств естественных киллеров при их контакте с теми клетками, на поверхности которых присутствует достаточное количество нормальных для данной особи молекул ГКГС. Если такие молекулы отсутствуют или их мало (это наблюдается при инфицировании и злокачественном перерождении клеток), то цитотоксичность NK-клеток возрастает. Это является следствием взаимодействия других рецепторов киллера с наиболее общими компонентами поверхности клетки (антителонезависимая клеточно опосредованная цитотоксичность) или с Fc-фрагментом осевших на её антигенах антител (антителозависимая клеточно опосредованная цитотоксичность).

Таким образом, антителонезависимая цитотоксичность (характерна для тканевых NK-лимфоцитов), до выработки специфических механизмов, способна препятствовать существованию в организме животного как чужих, так и собственных изменившихся клеток. В то же время, несмотря на отсутствие антигенспецифичности, антителозависимая цитотоксичность (характерна для кровяных NK-лимфоцитов) существенно повышает эффективность специфической защиты, дополняя действие антител.

Цитотоксические свойства активированных NK-киллеров обусловлены их способностью прикрепляются к подлежащей уничтожению клетке и секретировать на ее поверхность цитотоксины (перфорины и гранзимы).

Перфорины, подобно мембраноактивному комплексу комплемента, образуют трансмембранные поры в клетке-мишени. Через них в цитоплазму проникают гранзимы, которые включают механизмы апоптоза. Апоптоз - это такая форма гибели клетки, при которой, ее содержимое делится на окруженные мембраной фрагменты (апоптозные тельца) и быстро фагоцитируется (макрофагами, нейтрофилами и многими другими клетками-соседями). Важным свойством апоптоза является ферментативное расщепление ДНК, что предотвращает распространение генетической информации от разрушаемой клетки-мишени по макроорганизму.

В различных тканях апоптоз избирательно поражает отдельные клетки, а их содержимое не выходит в окружающую среду, не сопровождается развитием воспаления и практически не повреждает соседние с уничтожаемой киллерами мишенью структуры. Однако, некоторые патогены (например, аденовирусы, хламидии, токсоплазмы) делают инфицированную ими клетку-мишень нечувствительной к гранзимам. В этом случае, атакованная киллером клетка подвергается некрозу и выходу ее содержимого в окружающую среду, что сопровождается развитием воспаления.

Помимо цитотоксических функций, натуральные киллеры вырабатывают цитокины (ИЛ-5, -8, γ-интерферон, факторы некроза опухоли и др.), активирующие фагоцитоз и друге варианты иммунного ответа.

Исключительная важность естественных киллеров обусловлена тем, что в природе существуют вирусы и чужеродные клетки, которые маскируют (характерно для многих раковых клеток) или периодически меняют свои поверхностные антигены, поражают другие лимфоциты, а также разрушают систему комплемента. В перечисленных случаях NК-лимфоциты становятся основным, или даже единственным, средством защиты.

Активность NК-лимфоцитов может подавляться при стрессе. Поэтому вызывающие его факторы ослабляют иммунный надзор и делают неэффективной противоопухолевую защиту организма.

2.3.2. Фагоциты

Фагоцитоз представляет собой клеточный механизм неспецифической защиты, направленный на поглощение и внутриклеточное переваривание частиц размером более 0,5 мкм. К ним в частности относятся клетки, их фрагменты и крупные вирусы. В тех же случаях, когда клетки поглощают лишь макромолекулы, то рассматриваемый процесс называется пиноцитозом. Фагоцитоз и пиноцитоз являются близкими по своим свойствам механизмами внутриклеточного переваривания. Поэтому их можно объединить термином эндоцитоз.

Циркулирующие с кровью и тканевые клетки, способные обнаруживать и поглощать чужеродные частицы, а затем подвергать внутриклеточному перевариванию и удалять их из организма, называются фагоцитами. У позвоночных животных ими являются клетки соединительной ткани, гранулоцитарные лейкоциты (преимущественно нейтрофилы) и макрофаги. Перечисленные клетки постоянно взаимодействуют и образуют систему мононуклеарных фагоцитов. Часть тканевых макрофагов образуется из моноцитов, а часть из пролиферирующих тканевых макрофагов. Функции макрофагов в печени выполняют клетки Купфера, в мозге - микроглия, в костной ткани - остеокласты, в лимфатических узлах, селезенке и тимусе - интердигитирующие клетки, в коже - клетки Лангерганса, а в легких - альвеолярные и интерстициальные макрофаги. В соединительной ткани постоянно присутствуют такие, способные к фагоцитозу клетки как фибробласты и тучные клетки. Они малоподвижны и фагоцитируют только находящиеся рядом структуры. При развитии воспаления к месту повреждения из крови поступают обладающие высокой способностью к хемотаксису макрофаги и гранулоциты, которые могут поглощать даже патогены на поверхности слизистой оболочки.

Активация фагоцитов происходит при обнаружении ими наиболее общих признаков чужеродных структур. Это последовательно приводит к хемотаксису (направленному движению фагоцита к антигену) фагоцита, его адгезии к поверхности (как правило, опсонизированого) патогена (чужеродной клетки, вируса или токсина), активации мембраны фагоцита (ее выпячивание охватывает патоген и образуется фагосома), поглощению патогена (в составе фагосомы), слиянию фагосомы с лизосомами (образование фаголизосомы), разрушению патогена в фаголизосомах и удалению продуктов деградации фагоцитированных структур из клетки.

Уничтожение чужеродных структур фагоцитами происходит в результате активации в них тесно связанных друг с другом кислородзависимых и кислороднезависимых механизмов.

Кислородзависимая активность фагоцитов основана на интенсивном образовании в фаголизосомах продуктов превращения кислорода («кислородный взрыв»). Основным источником активных форм кислорода в лейкоцитах являются химические реакции, в которых участвует фермент миелопероксидаза (МПО). Ее содержание наиболее высоко в нейтрофилах, несколько ниже в макрофагах, а в небольшом количестве она содержится в эозинофилах и тромбоцитах. Именно поэтому нейтрофилы обладают наибольшей способностью к генерации активных форм кислорода.

Продукты кислородного взрыва интенсивно окисляют подавляющее число органических веществ как внутри, так и вне клеток. Кроме того, во внеклеточной среде они, взаимодействуя с компонентами плазмы крови, ускоряют хемотаксис новых лейкоцитов в очаг воспаления. Наиболее эффективными из продуктов кислородного взрыва являются синглетный кислород и супероксидный анион-радикал. Они сами действуют на биологические структуры (денатурируют белки, инактивируют многие ферменты, разрывают цепи нуклеиновых кислот и активируют апоптоз), а также обеспечивают образование гидроперекисного радикала, пероксида водорода и молекулярного кислорода. Наряду с активными формами кислорода, в ходе реакций, катализируемых МПО, образуется гипохлорит, который также способствует гибели бактерий и облегчает их фагоцитоз.

Перечисленные гуморальные эффекты облегчают расчистку зоны повреждения и способствуют восстановлению органов и тканей.

Кислороднезависимая антимикробная активность фагоцитов (может быть вызвана и продуктами кислородзависимого механизма) основана на действии оксида азота, внутриклеточных (преимущественно лизосомальных) ферментов (например, катепсинов, дезоксирибонуклеаз и липаз) и некоторых других факторов (например, лизоцима и лактоферрина).

Образование активных форм кислорода нередко сопровождается выработкой клетками эндотелиального расслабляющего фактора, который после расшифровки химической структуры стали называть оксидом азота (NO). Он быстро проникает через биомембраны, имеет короткий период полураспада (от 2 до 30 с) и поэтому вызывает лишь местные реакции.

Оксид азота образуется практически во всех тканях и участвует в регуляции множества процессов. В частности, он усиливает расширение сосудов (вазодилятатор), агрегацию тромбоцитов и ангиогенез (образование новых кровеносных сосудов), передает нервные сигналы (нейротрансмиттер) и снижает адгезию лейкоцитов к стенке сосудов. Большинство других вазодилататоров (например, ацетилхолин, гистамин, брадикинин, серотонин, адениновые нуклеотиды) стимулируют выработку эндотелием NO, который затем диффундирует к соседним гладкомышечным клеткам и расширяет сосуды. Перечисленные эффекты наблюдаются при небольших концентрациях оксида азота в тканях. В этом случае он не накапливается и успевает инактивироваться до нитритов или нитратов.

Образование оксида азота (из аргинина) обеспечивается NO-синтетазами (NOS) практически во всех клетках. Однако только в лейкоцитах (особенно в макрофагах), кардиомиоцитах, эндотелиоцитах, гладкомышечных клетках и гепатоцитах NOS может создавать такую высокую концентрацию NO, которая наряду с торможением агрегации тромбоцитов и улучшением местного кровообращения, вызывает апоптоз внутриклеточных паразитов, а также бактериальных и опухолевых клеток.

Кроме того, взаимодействие в очаге воспаления высоких концентраций активных форм кислорода и NO способствует образованию цитотоксических количеств пероксинитрита (ONOO^-), которые повреждают клеточные мембраны, увеличивает агрегацию тромбоцитов, индуцируют апоптоз, нарушают синтез простациклина, но усиливают образование тромбоксана и лейкотриенов.

Среди вырабатываемых макрофагами участников кислороднезависимых процессов особого внимания заслуживают такие ферменты как лизоцим и катепсины. Они действуют как внутри клетки, так и после выделения в окружающую ее среду. Для лизоцима наиболее характерна способность к повреждению оболочек погибших клеток и живых грамположительных бактерий. Катепсины являются протеазами, которые разрушают белковые компоненты фагоцитируемых структур, а при внеклеточном действии также содействуют хемотаксису новых фагоцитов.

Завершенным называется такой эндоцитоз, который заканчивается поглощенных частиц до безвредных продуктов. Однако патогены после их поглощения не всегда деградируют и даже могут размножаться в фагоците. Такой фагоцитоз называется незавершенным.Он может приводить к гибели самих фагоцитов, выходу патогенов в окружающую среду или же фагоцитозу, содержащих патогены клеток другими макрофагами.

Способность некоторых клеток и вирусов выживать в фагоцитах, обусловлена наличием у них специфических защитных механизмов. Например, некоторые риккетсии и трипаносомы выходят из фаголизосомы и размножаются в цитоплазме фагоцита. Возбудители туберкулеза блокируют образование фаголизосом, возбудитель лепры нечувствителен к макрофагальным ферментам, а легионеллы блокируют «кислородный взрыв».

В неспецифической защите макроорганизма от чужеродных частиц участвуют различные клетки, но наиболее важно участие в этом процессе макрофагов, нейтрофилов (полиморфноядерных лейкоцитов), эозинофилов, тучных клеток и базофилов.

2.3.3. Макрофаги

Первые предшественники макрофагов (промоноциты) у млекопитающих, еще во внутриутробном периоде, образуются в желточном мешке. У взрослых позвоночных животных основным местом созревания промоноцитов становится красный костный мозг. Образующиеся в нем клетки выходят в кровь и там превращаются в моноциты.

Под влиянием биологически активных веществ (например, лимфотоксина и макрофагального хемотаксического фактора) моноциты мигрируют из крови, оседают (в присутствии макрофагингибирующего фактора) в очаге повреждения и превращаются в макрофаг. Способность к взаимодействию с иммуноглобулинами, системой комплемента, интерферонами, фибрином и продуктами его распада способствуют активации макрофагов именно там, где находятся чужеродные антигены и повреждены ткани.

Реакции макрофагов развиваются медленно, но продолжительны. Наряду со способностью к перевариванию фагоцитированных частиц в клетках, они секретируют в окружающую среду протеазы, монокины, компоненты системы комплемента, лейкотриены и другие биологически активные вещества.

Например, миелопероксидаза (МПО) макрофагов вне и внутри фагоцитов уничтожает микроорганизмы, активирует «кислородный взрыв» и металлопротеиназы нейтрофилов (коллагеназы и желатиназы), а также вызывает образование хлораминов и других гуморальных участников неспецифической защиты. Кроме этого макрофаги продуцируют фибронектин, который необходим для адгезии и перемещения клеток, участвующих в развитии воспаления и восстановлении поврежденных тканей.

Макрофаги сами специфически не распознают антиген. Однако они необходимы для переработки и представления антигена T-лимфоцитам, а также выделяя цитокины (ИЛ-1, -6, факторы некроза опухолей и другие) регулируют развитие адаптивного иммунитета.

2.3.4. Нейтрофилы

Нейтрофилы покидают красный костный мозг на палочкоядерной или сегментоядерной стадиях развития. Около 10 часов (продолжительность жизни зрелых нейтрофилов составляет не более 72 часов) они циркулируют с кровью, а затем раньше других циркулирующих лейкоцитов поступают в те ткани, где имевшиеся там еще до повреждения тучные клетки, фибробласты и макрофаги первыми начинают иммунный ответ.

Фагоцитарные свойства нейтрофилов (одновременно могут поглощать 20-30 бактерий) дополняются их способностью при контакте с продуктами деградации IgG в течение нескольких секунд увеличивать активность МПО, стимулировать «кислородный взрыв» и секретировать бактерицидные вещества.

Таким образом, макрофаги поглощают наибольшее (до 100) по сравнению с нейтрофилами количество клеток, но появляются в очаге воспаления позднее. Макрофаги также фагоцитируют широкий спектр клеток (истинные бактерии, спирохеты, актиномицеты, грибы, простейшие, вирусы, а также собственные атрофирующиеся, мертвые и перерожденные клетки), а нейтрофилы в основном бактерии. В кислой среде макрофаги наиболее активны, а нейтрофилы сохраняют свои бактерицидные свойства в широком диапазоне рН даже в анаэробных условиях.

2.3.5. Эозинофилы

Эозинофилы обладают хемотаксисом (особенно на комплекс IgE с антигеном и клетками, опсонизированными системой комплемента), обезвреживают чужеродные белки и способствуют внеклеточному цитолизу не доступных для фагоцитоза (в связи с большим их размером) гельминтов и простейших.

В норме эозинофилы угнетают воспаление. В ранней фазе иммунной реакции (когда происходит «распознавание антигена») они активируют макрофаги, а в фазу выработки антител - участвуют в фагоцитозе и разрушении иммунных комплексов.

Эозинофилы быстро активируются комплексами антигена с IgE и компонентами системы комплемента (наибольшая их концентрация наблюдается в местах скопления гельминтов). Это сопровождается «взрывом» эозинофилов, который проявляется выработкой ими в окружающую среду пероксидаз (способствуют образованию активных метаболитов кислорода), гистаминаз (инактивируют гистамин), фосфолипаз, веществ с перфориноподобным действием, ряда других гидролаз, а также простагландинов.

В основе цитотоксического действия эозинофилов против крупных мишеней (например, гельминтов) лежат гуморальные (образование биологически активных веществ, гидролаз и метаболитов кислорода) и клеточные (перфориноподобный эффект) механизмы.

2.3.6. Тучные клетки и базофилы

Тучные клетки (малоподвижные, долгоживущие тканевые клетки) обладают выраженной способностью секретировать вазоактивные вещества и хемотаксические факторы в месте скопления продуктов повреждения собственных тканей и агрегатов IgE с патогенами.

Это вызывает хемотаксис базофилов (самые короткоживущие гранулоциты) к месту повреждения. Высокая активность тучных клеток и базофилов сопровождается выходом из них цитокинов (продляют воспалительную реакцию и фиксируют антиген в месте его обнаружения, а также стимулируют пролиферацию и дифференцировку лимфоцитов), гепарина (антикоагулянт), ферментов (гидролаз), вазоактивных аминов (гистамин, серотонин), лейкотриенов, факторов активации тромбоцитов, а также хемотаксических факторов эозинофилов и нейтрофилов.

Вазоактивные амины увеличивают локальный кровоток и проницаемость сосудов, что способствует накоплению тканевой жидкости в месте развития воспаления, а также повышению концентрации в ней нейтрофилов и гуморальных факторов иммунной защиты. Гистамин и серотонин быстро инактивируются, но успевают увеличить проницаемость сосудов и вызвать продукцию лейкотриенов (усиливают реакции сосудов и хемотаксис клеток, участвующих в воспалительных реакциях).

Участие перечисленных клеток в фагоцитозе дополняется определенным вкладом в этот процесс эритроцитов (транспортируют на своей поверхности антитела и иммунные комплексы),тромбоцитов (секретируют активаторы миграции и дегрануляции нейтрофилов), стромальных клеток (в основном представлены фибробластами, регулирующими развитие воспаления) и эндотелия посткапиллярных венул (способствуют миграции лейкоцитов из крови).

* * *

Таким образом, гуморальные и клеточные реакции неспецифической защиты в тесном взаимодействии нейтрализуют патоген и распознают наиболее общие для микроорганизмов антигены. На этом этапе отсутствует высокая антигенспецифичность и не создается память о контакте с антигеном, но создаются условия для формирования механизмов специфической защиты.