Лейкоциты в очаге воспаления

Мобилизованные в очаг воспаления лейкоциты выполняют основную функцию по устранению патогенных агентов.

Содержание

1. Нейтрофилы и макрофаги при воспалении
2. Фазы эмиграции лейкоцитов при воспалении
3. Прикрепление лейкоцитов к эндотелиальным клеткам
4. Миграция лейкоцитов через эндотелиальный барьер
5. Хемотаксис лейкоцитов
6. Повреждение ткани, вызванное медиаторами лейкоцитов
7. Другие функции активированных лейкоцитов
8. Заключение

Нейтрофилы и макрофаги при воспалении

Самыми важными лейкоцитами при воспалении являются те, что способны к фагоцитозу - нейтрофилы и макрофаги. Нейтрофилы образуются в костном мозге и быстро мобилизуются в очаг воспаления. Макрофаги реагируют медленнее. Основные функции этих клеток отличаются на молекулярном уровне крайне важными признаками — в нейтрофилах происходит перестройка цитоскелета и синтез ферментов для усиления промежуточных реакций, тогда как в макрофагах, которые являются долгоживущими, ответные реакции развиваются медленно, но они более продолжительные по времени и часто связаны с новой точкой транскрипции гена (табл. 3.3).

Более подробно макрофаги обсуждаются позже, в контексте хронического воспаления. Эти лейкоциты поглощают и уничтожают бактерии и инфекционные агенты, некротические ткани и инородные тела. Макрофаги также вырабатывают факторы роста, которые участвуют в репарации тканей. Цена, которую платит организм за защитную активность лейкоцитов, заключается в том, что при сильной активации лейкоциты могут вызывать повреждение тканей и продлевать воспаление, поскольку продукты лейкоцитов, разрушающие микробы и помогающие «очистить» ткани от некротических масс, могут также вызывать «побочные повреждения» нормальных тканей хозяина. В результате системной активации воспаления, которая может произойти при инвазии бактерий в кровоток, развивается системный воспалительный ответ с возможным летальным исходом.

Таблица 3.3. Свойства нейтрофилов и макрофагов

HSC — гемопоэтические стволовые клетки; iNOS — индуцибельная синтаза оксида азота; NET— нейтрофильные внеклеточные ловушки

В табл. 3.3 представлены основные различия между нейтрофилами и макрофагами. Реакции, обобщенные в данной таблице, разбираются далее в тексте. Обратите внимание, что два типа клеток имеют много общих черт, таких как фагоцитоз, способность мигрировать через кровеносные сосуды в ткани и хемотаксис.

Фазы эмиграции лейкоцитов при воспалении

Путь лейкоцитов из просвета сосуда в интерстиций является многоступенчатым процессом и осуществляется под контролем молекул клеточной адгезии и цитокинов. В норме лейкоциты циркулируют в крови, но при воспалении они должны остановиться и попасть в очаг воспаления, захватить патогенный агент или фрагменты поврежденной ткани, которые, как правило, находятся за пределами сосудов. Этот процесс можно разделить на фазы, включающие:

1. адгезию (прикрепление) лейкоцитов к эндотелию в очаге воспаления;
2. миграцию лейкоцитов через стенку сосуда;
3. направленное движение клеток к патогенному агенту.

Ниже мы отдельно рассмотрим эти фазы. Различные молекулы играют важную роль на каждом из этих этапов (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Многоступенчатый процесс миграции лейкоцитов через стенку кровеносных сосудов. Лейкоциты вначале перекатываются, затем активируются и «прилипают» к эндотелию, после этого мигрируют через эндотелиальные клетки; проникают сквозь базальную мембрану и передвигаются к хемоаттрактантам, образующимся в очаге повреждения. Различные молекулы играют ведущую роль на разных этапах процесса:

• селектины — при роллинге лейкоцитов;
• хемокины (обычно изображаются в соединении с протеогликанами) — при активации нейтрофилов для повышения функции интегринов;
• интегрины — для обеспечения прочного крепления к поверхности;
• РЕСАМ-1 (Platelet endothelial cell adhesion molecule-1) (CD31) — при проникновении сквозь базальную мембрану. ICAM-1 — молекула межклеточной адгезии-1;
• IL-1 — интерлейкин-1;
• РЕСАМ-1 — молекула адгезии эндотелия и тромбоцитов;
• TNF — фактор некроза опухоли.

Прикрепление лейкоцитов к эндотелиальным клеткам

При движении крови из капилляров к посткапиллярным венулам циркулирующие в крови клетки могут оказаться рядом со стенкой сосуда из-за ламинарности (перемещения слоями, несмешиваясь) потока клеток крови. Эритроциты, обладая маленькими размерами, движутся быстрее, чем лейкоциты, и, как следствие, располагаются в центре осевого цилиндра (потока клеток крови по центральной оси). Лейкоциты выталкиваются из осевого цилиндра к сосудистой стенке, но движение крови предохраняет клетки от контакта с эндотелием.

При замедлении тока крови в раннюю фазу воспаления (стаз) меняется гемодинамическое состояние (уменьшается напряжение сосудистой стенки), что способствует периферическому расположению лейкоцитов — вдоль эндотелиальных клеток. Этот процесс перераспределения лейкоцитов называется маргинацией (краевое стояние лейкоцитов).

Находясь в непосредственной близости со стенкой сосуда, лейкоциты способны обнаруживать изменения в эндотелии и реагировать на них. Если эндотелиальные клетки активируются местными цитокинами и другими медиаторами, то образуют молекулы адгезии, к которым легко «прилипают» лейкоциты. Лейкоциты перекатываются по поверхности эндотелиальных клеток, периодически то прилипая, то отлипая от эндотелиальных клеток. Этот процесс называется «роллинг». Но в какой-то точке лейкоциты останавливаются, потому что прочно прилипают (напоминая гальку на дне речки, которой не мешает течение воды).

Прилипание лейкоцитов к поверхности эндотелиальных клеток происходит с помощью комплементарных адгезивных молекул на клетках двух типов, экспрессия которых усиливается цитокинами. В ответ на микробы и другие патогенные агенты в тканях вырабатываются цитокины, что является гарантией мобилизации лейкоцитов в тканях в ответ на патогенные стимулы. Существует два главных семейства молекул, которые участвуют в адгезии и миграции лейкоцитов, — селектины и интегрины (табл. 3.4). Эти молекулы экспрессируются на лейкоцитах и эндотелиальных клетках, как и их лиганды.

Таблица 3.4. Эндотелиальные и лейкоцитарные молекулы адгезии

Примечание к таблице. CLA — кожный лимфоцитарный антиген-1; GlyCAM-1 — молекула межклеточной адгезии 1-го типа (молекула эндотелиальных клеток); HEV — венула с высоким эндотелием; ICAM — молекула межклеточной адгезии; Ig — иммуноглобулин; ИЛ-1 — интерлейкин-1; MAdCAM-1 — молекула адгезии клеток слизистой оболочки-1; PSGL-1 — Р-селектин, гликопротеин лиганд-1; ФНО — фактор некроза опухоли; VCAM — молекула адгезии сосудистого эндотелия.

Селектины

С помощью селектинов происходит начальное слабое связывание между лейкоцитами и эндотелием. Селектины — это рецепторы, которые образуются на поверхности лейкоцитов и эндотелиальных клеток и несут внеклеточный домен для связывания сахаров (поэтому «лектин» является частью названия «селектинов»). Семейство селектинов включает три представителя:

• Е-селектин (CD62E), присутствующий на эндотелиальных клетках;
• Р-селектин (CD62P) — на эндотелии и тромбоцитах;
• L-селектин (CD62L) — на поверхности большинства лейкоцитов.

Лиганды селектинов — это сиализированные олигосахариды (например, сиалил Льюис X на лейкоцитах), связывающие муциноподобные гликопротеины. Обычно уровень экспрессии эндотелиальных селектинов очень низкий, но после стимуляции цитокинами и другими медиаторами экспрессия эндотелиальных селектинов резко возрастает. Поэтому «связывание» лейкоцитов в основном ограничено эндотелиальными клетками — в очагах инфекции или повреждения тканей (там, где медиаторы вырабатываются).

Например, в неактивированном эндотелиалии Р-селектин обнаруживается во внутриклеточных тельцах Вейбеля-Паладе, тогда как под воздействием медиаторов (таких как гистамин или тромбин) в течение нескольких минут появляется Р-селектин на поверхности клетки.

Практически таким же образом появляется Е-селектин, который не экспрессируется на нормальном эндотелии и обнаруживается только после стимуляции ИЛ-1 и ФИО цитокинами, которые вырабатываются тканевыми макрофагами, ДК, тучными клетками и самими эндотелиальными клетками после столкновения с микроорганизмами и омертвевшими тканями. Эти и другие цитокины описаны более подробно ниже.

Лейкоциты экспрессируют L-селектин на кончиках микроворсинок, а также лиганды для Е- и Р-селектинов, которые связываются с комплементарными молекулами на поверхности эндотелиальных клеток. Это низкоаффинные взаимодействия, быстро образующиеся и легко разрушающиеся током крови. В результате «связанные» лейкоциты приклеиваются, отклеиваются и снова приклеиваются и как бы перекатываются вдоль эндотелиальной поверхности. Эти слабые селектин-опосредованные взаимодействия замедляют движение лейкоцитов, что позволяет клеткам распознать дополнительные адгезивные молекулы на эндотелии.

Интегрины и цитокины

Прочное прикрепление лейкоцитов к поверхности эндотелиальных клеток осуществляется семейством белков на поверхности лейкоцитов, называемых интегринами. Интегрины — это трансмембранные гетеродимерные клеточные рецепторы, которые регулируют адгезию лейкоцитов к эндотелию и адгезию различных клеток к внеклеточному матриксу. Интегрины обычно экспрессированы на цитоплазматических мембранах лейкоцитов и не прикрепляются к лигандам, пока лейкоциты не активируются хемокинами.

Хемокины — это хемотактические цитокины, секретируются многими клетками в очагах воспаления, связываются с протеогликанами эндотелиальных клеток и выявляются в высоких концентрациях на эндотелиальной поверхности. Когда перекатывающийся лейкоцит взаимодействует с хемокинами, клетки активируются и их клеточные рецепторы (интегрины) меняют конфигурацию, сближаясь друг с другом, образуя прочную высокоаффинную связь.

В это же самое время другие цитокины, в частности ФИО и ИЛ-1, активируют эндотелиальные клетки для усиления экспрессии лигандов для интегринов. Эти лиганды включают внутриклеточную молекулу адгезии-1 (ICAM-1), которая связывает интегрины LFA-1 (CDlla/CD18) и Мас-1 (CDllb/CD18), и молекулу адгезии сосудистого эндотелия-1 (VCAM-1), которая связывает интегрин VLA-4 (см. табл. 3.4).

Сочетание усиленной экспрессии лигандов интегрина под действием цитокинов на эндотелиальной поверхности с повышением аффинности интегринов лейкоцитов приводит к образованию плотных интегрин-опосредованных контактов и прикреплению лейкоцитов к эндотелиальным клеткам в очаге воспаления. Лейкоциты прекращают перекатываться, сигналы лигандов интегрина приводят к изменениям цитоскелета, что задерживает движение лейкоцитов и прочно прикрепляет их к эндотелию.

Самым убедительным доказательством значимости адгезивных молекул лейкоцитов является наличие генетических дефектов в этих молекулах, которые приводят к рецидивирующим бактериальным инфекциям из-за недостаточной адгезии лейкоцитов и, как следствие, нарушения процесса воспаления. Состояния, связанные с недостаточностью адгезии лейкоцитов, представлены в главе 5.

Миграция лейкоцитов через эндотелиальный барьер

После прикрепления к поверхности эндотелия лейкоциты мигрируют через стенку сосудов, подвергаются деформации, проникая в межэндотелиальные щели. Такой выход лейкоцитов за пределы сосуда называется трансмиграцией и встречается в основном в посткапиллярных венулах — на участках максимальной ретракции эндотелиальных клеток.

Миграция лейкоцитов инициируется хемокинами, которые продуцируются в тканях за пределами сосудов и стимулируют движение лейкоцитов вдоль градиента повышающейся концентрации хемоаттрактантов (веществ, вызывающих движение лейкоцитов). Кроме того, тромбоцитарно-лейкоцитарная адгезивная молекула-1 (РЕСАМ-1 или CD31) экспрессируется на поверхности лейкоцитов и эндотелиальных клеток и регулирует прохождение лейкоцитов через эндотелиальные клетки.

После прохождения через эндотелий лейкоциты преодолевают базальную мембрану, возможно, благодаря секреции коллагеназы и выходят за переделы сосуда в окружающую ткань. Как правило, стенка сосуда сохраняет свою целостность во время миграции лейкоцита.

Хемотаксис лейкоцитов

После выхода лейкоцитов из сосудистого русла клетки начинают двигаться в ткани по направлению к очагу повреждения; этот процесс называется хемотаксисом и определяется как передвижение по химическому градиенту. Любые экзогенные и эндогенные вещества могут выступать в качестве хемотаксических, включая:

• продукты жизнедеятельности бактерий, особенно пептиды с N-концевым формилметионином;
• цитокины и особенно представители семейства хемокинов;
• компоненты системы комплемента, преимущественно С5а;
• продукты метаболизма арахидоновой кислоты по липоксигеназному пути и в первую очередь лейкотриен В4 (LTB4).

Эти хемоаттрактанты продуцируются клетками организма в ответ на внедрение инфекционных агентов, повреждение ткани и развитие иммунных реакций. Они связываются с рецепторами, расположенными на поверхности лейкоцитов (трансмембранные белки G), которые запускают «конвейер» по сборке сократительных элементов для цитоскелета лейкоцита, необходимых для движения. Лейкоциты передвигаются, сначала вытягивая псевдоподию, а затем псевдоподия подтягивает клетку за собой, так же как в автомобиле с передним приводом передние колеса тянут машину вперед. Конечным результатом является то, что лейкоциты мигрируют в направлении воспалительного стимула, в то место, где продуцируются хемоаттрактанты.

Характер лейкоцитарной инфильтрации различается в зависимости от длительности воспалительного процесса и вида патогенного стимула. При большинстве форм острого воспаления в воспалительном инфильтрате нейтрофилы преобладают в первые 6-24 ч и затем постепенно заменяются макрофагами моноцитарного происхождения в течение 24-48 ч (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Характер лейкоцитарного инфильтрата при воспалительных реакциях. На микрофотографии показана воспалительная реакция в миокарде при ишемическом некрозе (инфаркт миокарда):

• А — нейтрофильный инфильтрат на ранней стадии;
• Б — мононуклеарный инфильтрат на более поздних стадиях;
• В — динамика развития отека и клеточного инфильтрата. Для простоты восприятия показаны острый отек, быстрая ответная реакция, хотя бывает и вторая волна отека и инфильтрация нейтрофилами может продолжаться гораздо дольше.

Существует несколько причин для доминирования нейтрофилов на ранних этапах:

• в крови их больше, чем других лейкоцитов;
• они быстрее реагируют на хемокины;
• они прочнее прикрепляются к адгезивным молекулам, которые быстро индуцируются на эндотелиальных клетках, например Р- и Е-селектины.

После попадания в ткани нейтрофилы живут недолго — всего 24-48 ч, так как подвергаются апоптозу и исчезают. Макрофаги не только живут дольше, но могут пролиферировать, а при хроническом воспалении накапливаются в тканях и становятся одной из основных клеток воспалительного инфильтрата. Однако существуют и исключения из этой стереотипной схемы клеточной инфильтрации:

• при некоторых инфекциях, например, вызываемых бактериями Pseudomonas, в клеточном инфильтрате преобладают нейтрофилы на протяжении нескольких дней;
• при вирусных инфекциях лимфоциты могут быть первыми клетками;
• при некоторых реакциях гиперчувствительности преобладают активированные лимфоциты, макрофаги и плазматические клетки (что отражает иммунный ответ);
• при аллергических реакциях преобладающими в инфильтрате клетками могут быть эозинофилы.

Понимание молекулярных механизмов мобилизации и миграции лейкоцитов определило большое число потенциальных терапевтических мишеней для ведения больных с патологическим воспалением. Агенты, блокирующие ФНО, один из важных цитокинов при мобилизации лейкоцитов, стали наиболее успешными лекарственными препаратами, когда-либо разработанными для лечения хронических воспалительных заболеваний. Антагонисты интегринов лейкоцитов одобрены для лечения воспалительных заболеваний, они прошли клинические испытания и полностью оправдали ожидания в плане лечения воспалительных процессов.

Повреждение ткани, вызванное медиаторами лейкоцитов

Важным фактором повреждения нормальных клеток и тканей при целом ряде состояний являются лейкоциты.

• В ходе защитной реакции организма в ответ на внедрение инфекционных агентов могут повреждаться ткани, находящиеся в непосредственной близости от очага воспаления. При ряде инфекционных заболеваний, которые даже в настоящее время сложно искоренить (туберкулез и некоторые вирусные инфекции, например вирусный гепатит) продолжительная ответная реакция организма бывает более разрушительной, чем воздействие самого микроорганизма.
• В случаях, когда ответная воспалительная реакция направлена против собственных тканей, как при некоторых аутоиммунных заболеваниях.
• В случаях, когда развиваются гиперергические реакции на повреждающие факторы окружающей среды, как это происходит при аллергических заболеваниях, например при бронхиальной астме или побочном действии лекарственных препаратов.

Лейкоциты повреждают ткани путем секреции молекул, вызывающих повреждение. Лейкоциты высвобождают потенциально токсичное содержимое гранул во внеклеточную среду посредством нескольких механизмов. Контролируемая секреция содержимого гранул после дегрануляции является нормальной реакцией активированных лейкоцитов.

Если фагоциты сталкиваются с субстанциями, которые сложно поглотить [например, иммунные комплексы, откладывающиеся на неподвижных плоских поверхностях — базальной мембране клубочков (БМК)] или невозможно окружить и поглотить («незавершенный фагоцитоз»), это вызывает выраженную активацию и сопровождается высвобождением значительного количества гранулированных ферментов во внеклеточное пространство. Некоторые захваченные фагоцитами вещества, такие как ураты или кристаллы кварца, могут повредить мембраны фаголизом и стать причиной высвобождения их содержимого.

Другие функции активированных лейкоцитов

Помимо уничтожения микробов и мертвых клеток, активированные лейкоциты принимают участие в защите организма и другими способами. Важно помнить, что эти клетки, особенно макрофаги, продуцируют цитокины, способные усиливать или ограничивать воспалительные реакции, факторы роста, стимулирующие пролиферацию эндотелиальных клеток, фибробластов и синтез коллагена, а также ферменты — для ремоделирования соединительной ткани. Благодаря своей высокой активности макрофаги играют центральную роль при хроническом воспалении и восстановлении ткани после стихания воспаления.

При обсуждении острого воспаления мы подчеркнули важность нейтрофилов и макрофагов. Тем не менее, некоторые Т-лимфоциты, которые являются одними из основных клеток приобретенного иммунитета, также вносят вклад в развитие острого воспаления. Самыми важными из этих клеток являются лимфоциты, продуцирующие цитокин ИЛ-17 (так называемые клетки ТН17), которые более подробно обсуждаются в главе 5. ИЛ-17 индуцирует секрецию хемокинов, которые мобилизуют другие лейкоциты. В отсутствие эффективной ответной реакции ИЛ-17 больные становятся восприимчивыми к грибковым и бактериальным инфекциям, у них развиваются «холодные абсцессы» кожи, которые характеризуются отсутствием такого классического признака острого воспаления, как повышение температуры и красноты.

Заключение

• Лейкоциты мобилизуются из кровяного русла в ткань, в очаг, где находятся инфекционные агенты или поврежденные ткани, мигрируют туда и активируются для выполнения своих функций.
• Мобилизация лейкоцитов — это многоступенчатый процесс, состоящий из неплотного прикрепления лейкоцита к эндотелиальным клеткам, перекатывания по поверхности эндотелиальных клеток (процессы регулируются селектинами), прочной фиксации к эндотелиальной поверхности (процесс регулируется интегринами) и миграции через щели между эндотелиальными клетками.
• Различные цитокины стимулируют экспрессию селектинов и лигандов интегрина на эндотелиальной поверхности (ФНО, ИЛ-1), повышают прочность связи (авидность) интегринов для их лигандов (хемокины) и способствуют направленному движению лейкоцитов (также хемокины). Многие из этих цитокинов продуцируются тканевыми макрофагами и другими клетками в ответ на патогенные агенты или повреждение ткани.
• Нейтрофилы преобладают в инфильтрате на ранней фазе воспалительной реакции и позже заменяются макрофагами.