Фагоцитоз

Распознавание микроорганизмов или погибших тканей вызывает у лейкоцитов ряд реакций, которые в совокупности называются активацией лейкоцитов (рис. 3.6).

Содержание

1. Активация лейкоцитов
2. Фагоцитоз и внутриклеточное разрушение микробов
3. Разрушение захваченных микробов и фрагментов погибших клеток
4. Нейтрофильные внеклеточные ловушки
5. Заключение

Активация лейкоцитов

После мобилизации лейкоцитов (особенно нейтрофилов и моноцитов) в очаге инфекции или участке повреждения ткани они должны активироваться для выполнения своих функций. Это имеет смысл, потому что мы хотим, чтобы защитники организма постоянно патрулировали в тканях, однако было бы расточительно постоянно поддерживать лейкоциты на высоком уровне готовности и расходовать энергию до того, как она потребуется.

Рис. 3.6. Активация лейкоцитов. Разные типы рецепторов на поверхности лейкоцитов распознают различные химические соединения на поверхности других клеток (лигандов). После стимуляции рецепторы лейкоцитов инициируют реакции, которые помогают клеткам выполнять функции. На рисунке изображены только некоторые рецепторы (детали обсуждаются в тексте). Вначале LPS связывается с циркулирующим белком, связывающим LPS (не показан). IFNγ — интерферон γ

Главными реакциями, которые наиболее важны для уничтожения микроорганизмов и других патогенов, являются фагоцитоз и внутриклеточное убийство, а также переваривание. Существует также несколько других защитных реакций, нивелирующих вредные последствия.

Фагоцитоз и внутриклеточное разрушение микробов

Фагоцитоз включает три последовательных этапа:

1. узнавание и прикрепление частиц, которые будут поглощаться лейкоцитом;
2. обволакивание с последующим формированием фагоцитарной вакуоли;
3. уничтожение или разрушение поглощенного материала (рис. 3.7).

Все этапы запускаются после активации фагоцитов. Стимуляторами активации являются микробы, погибшие клетки и различные медиаторы.

Распознавание с помощью рецепторов фагоцитов. Лейкоциты связывают и поглощают большинство микробов и погибших клеток с помощью специальных рецепторов, расположенных на их поверхности (рецепторы маннозы, скавенжер-рецепторы и рецепторы различных опсонинов). Рецептор маннозы макрофагов представляет собой лектин, который связывает терминальные остатки маннозы и фукозы гликопротеинов и гликолипидов. Эти сахара, как правило, являются частью молекул, входящих в состав стенки микробов, тогда как гликопротеины и гликолипиды млекопитающих включают терминальную сиаловую кислоту или N-ацетилгалактозамин. Следовательно, рецептор маннозы распознает микробы, а не клетки хозяина. Скавенжер-рецепторы связывают и поглощают фрагменты ЛПНП и различные микробы.

Эффективность фагоцитоза значительно повышается, когда микробы опсонизируются (покрываются) специфическими белками (опсонинами), для которых фагоциты экспрессируют высокоаффинные рецепторы. Основными опсонинами являются антитела против иммуноглобулина G (IgG), продукт распада С3b при активации комплемента и некоторые плазменные лектины, в частности маннозосвязывающий лектин, которые распознаются специфическими рецепторами на поверхности лейкоцитов.

Захват. После того как частица связывается с рецепторами фагоцитов, вокруг нее происходит инвагинация цитоплазмы (псевдоподия), затем плазматическая мембрана сжимается, образуя цитозольный пузырек (фагосому), в который заключена частица. В дальнейшем фагасома сливается с лизосомами, что приводит к выделению лизосомального содержимого в фаголизосому (см. рис. 3.7). Во время этого процесса фагоцит также может высвобождать некоторое количество гранул во внеклеточное пространство, тем самым повреждая соседние нормальные клетки.

Рис. 3.7. Фагоцитоз и внутриклеточное разрушение микробов:

• А — фагоцитоз частицы (например, бактерии) включает связывание с рецепторами на мембране лейкоцита, поглощение и слияние фагоцитарных вакуолей с лизосомами. За этим следует разрушение поглощенных частиц в фаголизосомах лизосомными ферментами и активными радикалами кислорода и азота;
• Б — в активированных фагоцитах цитоплазматические компоненты фермента оксидазы собираются в мембране фагосомы с образованием активного фермента, который катализирует превращение кислорода в супероксид (О₂) и Н₂О₂. Миелопероксидаза, присутствующая в гранулах нейтрофилов, превращает Н₂О₂ в гипохлорит;
• В — микробицидные активные формы кислорода (ROS) и окись азота (NO) убивают поглощенные микробы. Во время фагоцитоза содержимое гранул может высвобождаться во внеклеточные ткани (не показано). iNOS — индуцибельная NO-синтаза

Разрушение захваченных микробов и фрагментов погибших клеток

Уничтожение микробов и разрушение захваченных фрагментов в цитоплазме лейкоцита осуществляется с помощью АФК (активных радикалов кислорода), активных радикалов азота, синтезированных в основном из оксида азота (NO) и лизосомальных ферментов (см. рис. 3.7). Это последний этап уничтожения инфекционных агентов и мертвых клеток. Наиболее эффективное уничтожение и разрушение микробов и погибших клеток в нейтрофилах и макрофагах происходит после их активации. Механизмы уничтожения реализуются в лизосомах, в которых заключен фагоцитированный материал. Таким образом, в фагосомах изолируются потенциальные патогенные агенты для того, чтобы сохранить другие структуры фагоцита, пока они выполняют свою обычную работу.

АФК (ROS)

Образование радикалов кислорода происходит в результате активации лейкоцитарной НАДФ-оксидазы (фагоцитарная оксидаза), которая окисляет НАДФ (редуцированный никотинамид-аденин-динуклеотид-фосфат) и превращает кислород в супероксид радикал анион (О₂^-•) (см.рис. 3.7, Б). В нейтрофилах эта окислительная реакция тесно связана с фагоцитозом и называется респираторным взрывом.

Фагоцитарная оксидаза представляет собой ферментный комплекс, состоящий по меньшей мере из семи белков. В покоящихся нейтрофилах различные компоненты фермента расположены в плазматической мембране и цитоплазме. В ответ на активацию раздражителей компоненты цитозольного белка перемещаются в мембрану фагосомы, где они собираются и образуют функциональный комплекс ферментов. Таким образом, АФК образуются внутри фаголизосомы и воздействуют на поглощенные частицы, не повреждая клетку-хозяина.

Полученный таким образом О₂^-• затем превращается в перекись водорода (Н₂О₂), в основном путем спонтанной дисмутации — процесса одновременного окисления и восстановления. Н₂О₂ не способен эффективно убивать микробы, но лизосомы нейтрофилов (азурофильные гранулы) содержат фермент миелопероксидазу. Она в присутствии перекиси водорода (Н₂О₂) окисляет анион хлорида (Сl) до гипохлорида (NaOCl), который является активным ингредиентом бытовых отбеливателей. Последний обладает мощными антимикробными свойствами и уничтожает микробы путем галогенирования (при котором галогенид ковалентно связан с клеточными компонентами) или путем окисления белков и жиров (перекисное окисление липидов).

Система Н₂О₂-миелопероксидаза-галогенид — наиболее эффективная бактерицидная система нейтрофилов. Тем не менее, с наследственным дефицитом миелопероксидазы связана лишь умеренная восприимчивость к инфекции, что подтверждает наличие и других бактерицидных механизмов в лейкоцитах. Н₂О, превращается в гидроксильный радикал (ОН•), который также обладает мощным разрушающим действием. Эти свободные радикалы кислорода связываются и модифицируют клеточные липиды, белки и нуклеиновые кислоты, таким образом они разрушают микробные клетки.

Лейкоциты способны высвобождать АФК во внеклеточное пространство под воздействием микробов, хемокинов и комплексов антиген-антитело. Эти радикалы сопричастны к повреждению соседних с очагом воспаления тканей, которое сопровождает воспаление.

Плазма крови, тканевая жидкость и клетки-хозяева содержат антиоксиданты и обладают антиоксидантными свойствами, защищающими от потенциально «вредных» активных радикалов кислорода. Антиоксиданты обсуждаются в главе 2, к ним относятся:

1. фермент супероксид дисмутаза, который обнаруживается или может быть активирован в разных клетках;
2. фермент каталаза осуществляет детоксикацию Н₂О₂;
3. фермент глутатионпероксидаза — еще один мощный детоксикатор Н₂О₂.

Роль свободных радикалов кислорода в любой воспалительной реакции зависит от равновесия между продукцией и инактивацией этих метаболитов клетками и тканями. Генетические дефекты, приводящие к генерации активных радикалов кислорода, являются причиной иммунодефицитных заболеваний, относящихся к хронической гранулематозной болезни, обсуждаемой в главе 5.

Оксид азота (окись азота)

Оксид азота (окись азота) представляет собой растворимый газ и образуется из аргинина под действием фермента синтазы оксида азота (NOS), принимая участие в уничтожении микробов. Существует три изоформы NOS, которые присутствуют в тканях в различных концентрациях:

• эндотелиальная (eNOS) образуется в основном в эндотелии;
• нейрональная (nNOS) экспрессируется нейронами и не играет существенной роли при воспалении;
• индуцибельная (iNOS) образуется в макрофагах и эндотелиальных клетках воспалительными цитокинами и медиаторами, в основном ИЛ-1, ФНО и интерферон γ (IFNγ), а также бактериальными эндотоксинами. Индуцибельная NOS ответственна за продукцию оксида азота при воспалительных реакциях, присутствует в других клетках, включая гепатоциты, кардиомиоциты и эпителий бронхов.

В макрофагах оксид азота взаимодействует вместе с супероксидом (О₂^-•), что приводит к образованию высокоактивного свободного радикала перекиси нитрита (ONOO•). Эти азот-содержащие свободные радикалы, как и свободные радикалы кислорода, атакуют и разрушают липиды мембран, белки, нуклеиновые кислоты микробов и клеток хозяина.

Оксид азота, выделяемый эндотелиальными клетками, помимо микробицидной функции, вызывает расслабление гладкомышечных клеток сосудистой стенки и тем самым способствует вазодилатации. Не совсем понятно, какую роль это свойство оксида азота играет в сосудистых реакциях при остром воспалении.

Ферменты гранул фагоцитов и другие белки

Нейтрофилы и моноциты содержат гранулы, заполненные ферментами и антимикробными белками, которые разрушают мертвые клетки и уничтожают микробов. Гранулы могут внести вклад в повреждение тканей хозяина. Они относятся к активно секреторным, поэтому отличаются от классических лизосом.

Нейтрофилы имеют два основных типа гранул:

• Маленькие специфические гранулы (или вторичные) содержат лизоцим, коллагеназу, желатиназу, лактоферрин, активатор плазминогена, гистаминазу и щелочную фосфатазу.
• Крупные азурофильные гранулы (или первичные) содержат миелопероксидазу, бактерицидные факторы (такие как дефензины), кислые гидролазы и различные нейтральные протеазы (эластаза, катепсин G, неспецифические коллагеназы, протеиназа 3).

Фагоцитарные вакуоли, содержащие захваченный материал, могут сливаться с этими гранулами (и с лизосомами, как было описано ранее), и проглоченный материал разрушается. Кроме того, оба типа гранул также подвергаются экзоцитозу (дегрануляции), что приводит к внеклеточному высвобождению содержимого гранул.

Различные ферменты гранул фагоцитов выполняют разные функции:

• кислые протеазы разрушают бактерии и фрагменты клеток внутри фаголизосом, кислый pH которых зависит от работы мембранных протонных насосов;
• нейтральные протеазы способны расщеплять различные внеклеточные компоненты разрушенных тканей в очаге воспаления, такие как коллаген, фрагменты базальных мембран, фибрин, эластин и хрящ.

Нейтрофильная эластаза «борется» с инфекционными агентами, разрушая факторы вирулентности бактерий. Макрофаги также содержат кислые гидролазы, коллагеназу, эластазу, фосфолипазу и активатор плазминогена.

Лейкоцитарная инфильтрация, возникающая в самом начале острого воспаления из-за разрушительного воздействия ферментов гранул фагоцитов, может усиливать воспалительный процесс и приводить к повреждению ткани. Как правило, эти «вредные» протеазы находятся под контролем системы антипротеаз плазмы крови и тканевых жидкостей. Главным среди них является α1-антитрипсин — основной ингибитор нейтрофильной эластазы. Дефицит этих ингибиторов может привести к устойчивому воздействию протеаз лейкоцитов, как это бывает у больных с дефицитом α1-антитрипсина (см. главу 13).

Нейтрофильные внеклеточные ловушки

Нейтрофильные ловушки (NET, НФЛ) — это внеклеточные фибриллярные сети в очаге инфекции, в которых обеспечивается высокая концентрация антимикробных веществ, предотвращая распространение микроорганизмов путем захвата их волокнами сети. «Ловушки» образуются нейтрофилами в ответ на патогенные агенты (в основном бактерии и грибы) и медиаторы воспаления (хемокины, цитокины, белки системы комплемента и активные радикалы кислорода). Нейтрофильные внеклеточные ловушки состоят из упругой сети ядерного хроматина, которая связывает и собирает гранулярные белки, например антимикробные пептиды и ферменты (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Нейтрофильные внеклеточные ловушки:

• А — нормальные нейтрофилы с ядром, окрашенным в красный цвет, и цитоплазмой, окрашенной в зеленый цвет;
• Б — высвобождение ядерного материала из нейтрофилов (обратите внимание, что два нейтрофила потеряли ядра) и формирование внеклеточных ловушек;
• В — электронная микрография бактерии (стафилококка), захваченного в «ловушку».

Нейтрофильные ловушки обеспечивают дополнительный механизм уничтожения микробов без фагоцитоза. В ходе этого процесса нейтрофилы теряют ядра, что приводит к их гибели. Иногда процесс называют NETos, определяя его как отдельную форму гибели активированных нейтрофилов. Нейтрофильные «ловушки» были обнаружены в крови при сепсисе. Ядерный хроматин в нейтрофильных ловушках включает гистоны и ДНК, которые могут быть источником ядерных антигенов при системных аутоиммунных заболеваниях [в частности, при системной красной волчанке(СКВ)], направленных против собственной ДНК и нуклеопротеинов (см. главу 5).

Заключение

• Лейкоциты могут удалять микроорганизмы и мертвые клетки посредством фагоцитоза с дальнейшим разрушением их в фаголизосомах.
• Разрушение поглощенного материала осуществляется свободными радикалами (активными радикалами кислорода, оксидом азота), образованными в активированных лейкоцитах, и лизосомальными ферментами.
• Нейтрофилы способны путем экструзии собственного хроматина формировать внеклеточные сети (ловушки), которые захватывают и уничтожают микробы.
• Ферменты гранул нейтрофилов могут высвобождаться во внеклеточную среду.
• Механизмы, направленные на уничтожение микробов и погибших клеток (физиологическая роль воспаления), способны приводить к повреждению и нормальные ткани (патологические последствия воспаления).
• Противовоспалительные медиаторы останавливают острую воспалительную реакцию, когда в ней нет необходимости.