Механизм неспецифического клеточного иммунитета
Клеточные неспецифические механизмы защиты организма от антигенов обеспечиваются способностью некоторых клеток (преимущественно нейтрофилов и макрофагов) неспецифически фагоцитировать любые чужеродные субстанции.
Нейтрофилы представляют собой зернистые лейкоциты (диаметр в периферической крови – 7-9 мкм, диаметр нейтрофила, мигрирующего в тканях, увеличивается до 20 мкм; ядро зрелого нейтрофила сегментировано, содержит 3-5 сегментов), содержащие гетерофильную зернистость (окрашивается и кислыми, и основными красителями в розово-фиолетовый цвет). Количество зерен в каждом нейтрофиле варьирует и составляет от 50 до 200. Гранулы нейтрофилов в зависимости от размеров и особенностей их химического состава классифицируют на:
ü специфические (более многочисленные, составляют 80-90% всех гранул, мелкие, их диаметр около 0,2 мкм, более светлые и, как правило, электронно-прозрачные). Содержат бактериостатические и бактерицидные вещества, такие как:
· лизоцим
· коллагеназу (расщепляет коллаген I типа)
· щелочную фосфатазу
· катионные белки
· гликопротеины, усиливающие фагоцитоз
· лактоферрин. Этот белок связывает ионы железа и некоторые другие металлосодержащие факторы роста микроорганизмов, ингибируя тем самым размножение микроорганизмов. Связывание лактоферрином бактерий способствует их склеиванию – бактериальной мультипликации. Лактоферрин связывает также свободные радикалы, образующиеся в нейтрофилах в результате реакции их активации и повреждающие как сами клетки, так и окружающие ткани. Кроме того, лактоферрин инициирует отрицательную обратную связь, тормозя продукцию нейтрофилов в красном костном мозге
· витамин В12-связывающие белки, к числу которых относится транскобаламин I, ингибирующий кобальтзависмые реакции свободных радикалов. Кроме того, связывание витамина В12 этими белками тормозит деление микроорганизмов (оказывает бактериостатическое действие).
ü неспецифические или азурофильные гранулы (более крупные, их диаметр достигает около 0,4 мкм, окрашиваются в фиолетово-красный цвет, малочисленны, их количество составляет 10-20% всей популяции гранул). Неспецифические гранулы в процессе дифференцировки нейтрофила в красном костном мозге появляются раньше специфических, в связи с чем их называют первичными (в отличие от специфических, называемых вторичными). Они являются первичными лизосомами, имеют электронно-плотную сердцевину и характеризуются наличием около 10 белков, уничтожающих микроорганизмы. В частности, в составе неспецифических гранул обнаруживаются:
· сериновые протеазы (серпроцедины), представленные катепсином G (при нейтральном рН убивает грамположительные и грамотрицательные бактерии), эластазой (расщепляет коллаген и эластин при физиологических рН, вне клетки этот фермент может разрушать нормальную ткань), миелобластином (или протеиназой 3, расщепляющей эластин)
· азуроцидин (антибактериальный белок)
· миелопероксидаза (составляет 2-4% от массы нейтрофила, катализирует образование хлорноватистой кислоты и других токсических агентов, оказывающих бактерицидное действие). В результате контакта нейтрофила с определенными стимулирующими его факторами (медиаторами воспаления, образующимися в тканях, активированными компонентами системы комплемента, комплексами антиген-антитело и некоторыми другими) происходит активация нейтрофила, проявляющаяся в виде т.н. респираторного (кислородного) взрыва. Сущность этого процесса состоит в том, что нейтрофилы в течение нескольких секунд после стимуляции резко увеличивают потребление кислорода и быстро расходуют значительные его количества. В частности, под действием миелопероксидазы образуется молекулярный кислород из перекиси водорода; в качестве побочных продуктов этого процесса появляются супероксид О2- и гидроксильный радикал ОН-. Все эти продукты респираторного взрыва обладают бактерицидным действием и способствуют гибели микроорганизмов.
· бактерицидный белок ВPI (повышает проницаемость мембран, проявляет бактерицидную активность в отношении грамположительных бактерий)
· дефензины (проявляют антимикробное действие в нейтральной и щелочной среде)
· катепсины А, D, E
· катионные белки (разрушают бактериальную мембрану как за счет протеиназного эффекта, так и за счет непосредственного присоединения к поверхности микроорганизма)
· лизоцим (b-муромидаза, расщепляющий клеточную стенку бактерий)
· арилсульфатаза
· ряд других лизосомных ферментов (кислая фосфатаза, b-глюкуронидаза и некоторые другие).
После фагоцитоза чужеродных субстанций, сопровождающегося формированием фагосомы, первыми сливаются с фагосомой специфические гранулы, а затем – азурофильные (лизосомы клетки). Процентное содержание способных к фагоцитозу нейтрофилов в периферической крови от общего их количества носит название фагоцитарной активности. В популяции нейтрофилов здоровых людей в возрасте 18-45 лет фагоцитирующие клетки составляют 69-99%. Общее количество частиц, которое способен фагоцитировать нейтрофил, обозначается как фагоцитарный индекс, в норме составляющий 12-23. Нейтрофилы представляют собой самую многочисленную группу лейкоцитов, на их долю приходится 40-75% от общего количества лейкоцитов в периферической крови. Нейтрофилы образуются в красном костном мозге в течение 7 суток, через 4 суток после своего образования переходят в кровоток и находятся в сосудистом русле 8-12 часов, после чего мигрируют в периферические ткани. Продолжительность жизни нейтрофилов составляет 5-9 суток. Нейтрофил содержит несколько митохондрий и большое количество гликогена, что позволяет ему получать энергию за счет анаэробных процессов (гликолиза) и существовать в бедных кислородом поврежденных тканях. Количество органелл, необходимых для синтеза белка, в нейтрофиле минимально, и поэтому он не способен к длительному функционированию, а погибает после единственной вспышки активности. В организме человека выделяют три взаимосвязанных пула нейтрофилов:
ü циркулирующий, представляет собой пассивно переносимые кровью клетки. При инфицировании организма их количество возрастает в течение 24-48 часов в несколько раз (до 10 раз) как за счет пограничного пула, так и за счет ускоренного выхода клеток резервного пула из красного костного мозга
ü пограничный, состоит из нейтрофилов, связанных с эндотелием мелких сосудов многих органов, особенно легких и селезенки. Этот пул находится в постоянном динамическом равновесии с циркулирующим пулом нейтрофилов
ü резервный, образован зрелыми нейтрофилами красного костного мозга, составляющими некий резерв, который делает возможным быстрое и резкое увеличение численности нейтрофилов в периферической крови в случае проникновения каких-то антигенов в организм.
После прикрепления к эндотелию и выхода из сосуда нейтрофилы увеличиваются в размерах, удлиняются и становятся морфологически поляризованными, образуя широкий головной конец (ламеллоподию) и суженную заднюю часть. Нейтрофил, продвигая ламеллоподию, мигрирует к источнику хемоатрактанта, при этом его гранулы перемещаются к головному концу, и мембраны гранул сливаются с плазмолеммой нейтрофила, в результате чего происходит выброс содержимого гранул из клетки (дегрануляция нейтрофилов). Такой выброс ферментов нейтрофильных гранул (в том числе и протеаз) в очаге воспаления может привести к обширным локальным повреждениям воспаленных тканей. Наряду с выбросом содержимого части своих гранул в очаге воспаления, нейтрофилы проявляют и выраженную фагоцитарную активность, захватывая и разрушая собственные тканевые обломки и микроорганизмы.
Макрофаги тканей представляют собой способные к фагоцитозу клетки, которые являются потомками моноцитов крови. Моноциты – это самые крупные клетки крови (причем их диаметр в крови лишь немногим превосходит таковой других клеток и составляет около 15 мкм, однако в мазке они сильно распластываются по стеклу и достигают 18-20 мкм); на долю моноцитов приходится 2-9% от общего количества лейкоцитов периферической крови. Моноциты образуются в красном костном мозге в течение 2-3 суток, после чего переходят в кровоток. Они представляют собой фактически незрелые клетки, находящиеся на пути из красного костного мозга в ткани. Время пребывания моноцитов в крови варьирует от 36 до 104 часов, после чего они переходят в периферические ткани, где растут (при этом в них увеличивается содержание митохондрий и лизосом) и превращаются в неподвижные клетки – гистиоциты или тканевые макрофаги. Цитоплазма моноцитов слабо базофильна (окрашивается основными красителями в бледно-голубой цвет), по периферии содержит различное количество азурофильных гранул, представляющих собой первичные лизосомы клетки. Ядро моноцитов крупное, эксцентрично расположенное, бледное, имеет выемку, благодаря которой приобретает форму подковы или двудольную. В макрофагах, в отличие от нейтрофилов, содержится большое количество свободных рибосом, хорошо развитый аппарат Гольджи, множество мелких удлиненных митохондрий, что позволяет им существовать в тканях гораздо более длительный промежуток времени (до 100 дней). Активация макрофагов происходит в тканях под действием различных веществ, образующихся в очаге воспаления. В результате активации макрофагов
· увеличивается их размер,
· усиливаются обменные процессы,
· начинается выработка ряда биологически активных веществ, таких как
ü простагландины (в том числе простагландин Е2), которые, с одной стороны, оказывают местное сосудорасширяющее действие в очаге воспаления, а с другой, поступая в общий кровоток, достигают гипоталамуса и активируют метаболические процессы в терморегуляторном центре, что приводит к повышению установочной температуры в гипоталамусе, и как следствие, повышению уровня теплопродукции в организме, сопровождающемуся повышением температуры тела (т.е. к возникновению лихорадки). Простагландины и ряд других веществ, действующих на активность терморегуляторных нейронов гипоталамуса и приводящих к повышению температуры тела, называют эндогенными пирогенами. Вместе с тем некоторые вещества чужеродных микроорганизмов (бактериальные токсины, липополисахариды грамотрицательных бактерий) также могут вызывать развитие лихорадки, в связи с чем их называют экзогенными пирогенами
ü интерфероны (ингибируют репликацию вирусов, подавляют репликацию ДНК в вирусинфицированных клетках организма, тормозят рост опухолей). Интерфероны продуцируется макрофагами и нейтрофилами (интерферон a), фибробластами (интерферон b) и Т-лимфоцитами (интерферон g); стимулятором синтеза интерферонов является двунитчатая вирусная РНК
ü интерлейкин-1 (активирует Т-хелперы, усиливает прохождение эффекторных клеток через эндотелий, обладает пирогенным действием, инициирует продукцию интерлейкина-6),
ü интерлейкин-6 (наряду с макрофагами, продуцируется и фибробластами, это вещество индуцирует дифференцировку Т-киллеров, обладает пирогенным действием)
ü интерлейкин-8 (кроме макрофагов данное вещество синтезируется также эндотелием сосудистых стенок и фибробластами соединительной ткани, оно вызывает хемотаксис и активацию нейтрофилов, усиливает прохождение эффекторных клеток через эндотелий),
ü интерлейкин-12 (усиливает продукцию антител)
ü фактор некроза опухоли a (ФНО-a). Оказывает местное сосудорасширяющее действие, повышает проницаемость сосудистой стенки, что способствует увеличению проникновения в воспаленный очаг Ig G, комплемента и клеток. Кроме того, ФНО-a стимулирует экспрессию в эндотелиальных клетках селектинов Р и Е и адгезивных молекул, фиксирующихся в плазматической мембране этих клеток. Селектины Р и Е, локализованные на поверхности эндотелиальных клеток, распознают углеводные радикалы в гликопротеиновых рецепторах лейкоцитов и в результате связываются с лейкоцитами, замедляя их продвижение по сосуду и способствуя проникновению в окружающую соединительную ткань. Однако взаимодействие гликопротеидных рецепторов фагоцитов с селектинами эндотелиальных клеток происходит с очень низкой аффинностью, вследствие чего прочных комплексов между эндотелием и движущимися по сосуду лейкоцитами не образуется, а происходит лишь замедление движения лейкоцитов. Важную роль в значительном облегчении проникновения лейкоцитов через стенку сосуда играют адгезивные молекулы эндотелия, которые подобно селектинам, проявляют сродство к рецепторам мембраны фагоцитов. Причем это сродство резко возрастает под влиянием интерлейкина-8, прикрепляющегося к мембране фагоцитов и вызывающего определенные пространственные перестройки в рецепторах к адгезивным молекулам, в результате чего фагоциты повышают свой аффинетет по отношению к адгезивным молекулам эндотелия сосудов. Под влиянием адгезивных молекул и интерлейкина-8 происходит остановка движения лейкоцитов по сосуду в очаге воспаления. Наряду со стимуляцией прохождения лейкоцитов через сосудистую стенку ФНО-a усиливает также ток лимфы через лимфатические узлы, обладает пирогенным действием
ü факторы, стимулирующие рост эндотелиальных и гладкомышечных клеток, и ряд других гуморальных факторов.
Макрофаги, подобно нейтрофилам, способны к фагоцитозу любых чужеродных субстанций, но при этом проявляют более высокую фагоцитарную активность (могут фагоцитировать в 3-5 раз больше частиц, чем нейтрофилы). Кроме того, нейтрофилы обеспечивают защиту организма в основном от пиогенных (гноеродных) бактерий, тогда как макрофаги способны эффективно бороться с бактериями, вирусами и простейшими, которые могут существовать внутри клеток хозяина.
Фагоцитоз нейтрофилами и макрофагами различных антигенных структур складывается из следующих этапов:
· распознавание рецепторными участками плазмолеммы нейтрофилаили макрофага антигенных компонентови связанная с этим процессомадгезия(прикрепление)антигена на поверхности фагоцитирующей клетки. Распознавание и адгезия антигенов на поверхности фагоцитов достигается благодаря простому механизму узнавания, основанному на взаимодействии углеводных остатков плазматической мембраны фагоцита и антигена. Как правило, процесс адгезии фагоцитом чужеродных частичек значительно облегчается при присоединении к антигенам антител (комплексы «антиген-антитело» гораздо легче фиксируются на мембране нейтрофилов за счет наличия рецепторов к Fc-фрагментам антител, в этом проявляется опсонизирующее действие антител), активированных компонентов системы комплемента и некоторых других факторов.
· инвагинация мембраны нейтрофилаили макрофага вокруг чужеродной частицы.Этот процесс возникает по той причине, что прикрепление к мембране фагоцита антигенной частички приводит к активации актин-миозиновой сократительной системы, расположенной поверхностно в цитоплазме клетки (непосредственно под плазмолеммой). Взаимодействие актиновых нитей с миозиновыми в периферической области цитоплазмы фагоцита сопровождается формированием псевдоподий вокруг антигенной структуры. По мере того как близлежащие рецепторы мембраны фагоцита последовательно присоединяются к поверхности антигена, плазматическая мембрана фагоцита надвигается на антигенную частичку, подобно застежке-молнии, до тех пор, пока частичка не будет полностью заключена в мембранную вакуоль (фагосому)
· образование фагосомы
· образование фаголизосомы (в результате слияния фагосомы с гранулами нейтрофила или макрофага), происходит очень быстро (в течение минуты после образования фагосомы)
· уничтожение бактерий и разрушение захваченного материала. Осуществляется в результате двух типов механизмов:
ü кислородзависимых механизмов. Связаны с активацией гексомонофосфатного шунта, в результате которого глюкоза расщепляется до пентозофосфата и происходит восстановление НАДФ+ до НАДФ×Н.
Глюкоза + НАДФ+ Пентозофосфат + НАДФ×Н
Образующийся НАДФ×Н используется для восстановления молекулярного кислорода (О2), связанного с мембранным цитохромом (суt b-245), до надпероксидного аниона (О2-). Значительное потребление молекулярного кислорода, связанного с мембранным цитохромом фагоцита сопровождается резким потреблением клеткой кислорода из внеклеточной среды (возникает т.н. «кислородный взрыв»)
.
НАДФ×Н + О2 НАДФ+ + О2-
Надпероксидный анион (О2-), в свою очередь, проявляя высокую активность, вступает во взаимодействие с ионами водорода (Н+), что сопровождается образованием пероксида водорода (Н2О2) и синглетного кислорода (1О2)
2 О2- +2 Н+ Н2О2 + 1О2
Надпероксидный анион (О2-) может спонтанно взаимодействовать и с образующимся пероксидом водорода, в результате чего появляются гидроксильные радикалы (×ОН), новые молекулы синглетного кислорода (1О2) и гидроксильные анионы (ОН-)
О2-+ Н2О2 ×ОН + ОН- +1О2
Кроме того, пероксид водорода (Н2О2) под действием миелоперосидазы используется фагоцитом для образования хлорноватистой кислоты (НОСl)
Н2О2 +Сl- ОСl- +Н2О
Образующиеся анионы хлорноватистой кислоты (анионы ОСl-) могут вступать во взаимодействие с молекулами воды, что приводит к образованию новых молекул синглетного кислорода (1О2)
ОСl- + Н2О 1О2 + Сl- + Н2О2
Образующиеся в результате кислородного взрыва в фагоците вещества (пероксид водорода, синглетный кислород, надпероксидный анион, гидроксильные радикалы, хлорноватистая кислота) обладают мощным бактерицидным действием и способны повреждать как бактерии, так и вирусы.
Наконец, в фагоците при «кислородном взрыве» параллельно с образованием перокида водорода, синглетного кислорода, надпероксидного аниона и свободных радикалов, обладающих бактерицидным действием и способных повреждать сам фагоцит, срабатывают и защитные механизмы, способствующие расщеплению пероксида водорода под действием каталазы и тем самым ограничению слишком бурного образования бактерицидных веществ
2 Н2О2 2Н2О + О2
ü кислороднезависимых механизмов. Эти механизмы обеспечиваются многообразными факторами (преимущественно белковой природы), содержащимися в гранулах фагоцитов. К числу этих факторов, оказывающих бактерицидное, бактериостатическое и противовирусное действие, относятся описанные ранее лизоцим, лактоферрин, катионные белки, интерферон и ряд других веществ, содержащихся в гранулах нейтрофилов и макрофагов.
Однако для того, чтобы фагоциты могли уничтожить чужеродные агенты посредством кислородзависимых и кислороднезависимых механизмов, антигенные субстанции должны попасть внутрь фагоцитов (т.е. фагоцитироваться ими), что возможно только при условии возникновения контакта определенных рецепторов мембраны фагоцита со стерически соответствующими им рецепторами мембраны антигена. Патогенные микроорганизмы постоянно претерпевают мутации и способны настолько видоизменяться, что выходят из-под контроля фагоцитирующих клеток (т.е. их рецепторы становятся недоступными для контакта с фагоцитами). В таком случае в уничтожении антигенов важную роль играют гуморальные неспецифические защитные механизмы, обеспечиваемые предсуществующими в крови системой комплемента и рядом других гуморальных факторов.