Паттерн распознающие клетки врожденного иммунитета
Врожденный иммунитет — это первая линия обороны иммунной системы, которая включает предсуществующие механизмы защиты, всегда готовые к быстрой, стереотипной обороне. Рецепторы клеток врождённого иммунитета генетически закодированы и неизменны в течение жизни; на поверхности микроорганизмов они распознают структуры жизненно важных для микробов молекул, которые не могут быть изменены в результате одной мутации. Клетки врожденного иммунитета одного и того же типа имеют одинаковый набор рецепторов. Они находят и убивают болезнетворные микроорганизмы и одновременно активируют адаптивный иммунный ответ. Врожденный (неспецифический) иммунитет обеспечивает защиту с умеренной эффективностью в течение нескольких дней, пока не активируется адаптивный иммунитет. Адаптивный иммунитет для активации требует от нескольких дней до недели. Адаптивный иммунитет специфический, его составляющие научены ответу на точные молекулярные структуры. Для создания своих рецепторов адаптивный иммунитет использует перегруппировку генов (реаранжировку), и пролиферацию клеток со специфическими рецепторами путем формирования клонов. Адаптивный иммунитет имеет иммунологическую память. Адаптивная иммунная система — дополнение к эволюционно более древней врождённой иммунной системе, обеспечивающее специфичность распознавания и память.
Частью врожденного иммунитета являются барьеры организма. Они включают в себя эпителиальные слои, слизь для предотвращения прилипания микробов и антимикробные пептиды. Эти пептиды включают α — дефензины нейтрофилов, β — дефензины эпителиальных клеток и гистатины слюны.
В эффекторных механизмах иммунной системы (воспаление и реакция острой фазы) задействованы опсонизация, фагоцитоз, внутриклеточное уничтожение и секреция цитокинов. Бактерии имеют механизмами уклонения от эффекторных механизмов защиты, эффекторные механизмы иммунитета имеют ограниченное действие против вирусов.
Клеточное звено врожденного иммунитета представлено разными видами лейкоцитов: нейтрофилы составляют 50-70% лейкоцитов, лимфоциты 20-35%, моноциты 3-7%, эозинофилы 1-3% и базофилы 0-1%.
- Нейтрофилы и макрофаги являются наиболее важными фагоцитирующими клетками. Они образуются из полипотентных гемопоэтических стволовых клеток и дальнейшего дифференцирования миелоидного — предшественника (гранулоцито-моноцито колониеобразующей клетки).
Нейтрофилы и макрофаги обычно используют одни и те же механизмы уничтожения чужого, но нейтрофилы живут около суток, активируются при остром воспалении, и уничтожают только бактерии с использованием активных форм кислорода. Макрофаги, в отличие от нейтрофилов, живут недели, действуют при хроническом воспалении, атакуют многие микроорганизмы, презентируют антиген, секретируют множество цитокинов и используют оксид азота как реактивную форму кислорода.
Работа нейтрофилов – фагоцитировать чужое. Нейтрофилы широко представлены циркуляции и тканях, и они очень мобильны и поэтому обычно первыми реагируют на возбудителя. В азурофильных гранулах нейтрофилы содержат гидролитические ферменты, дефензины и миелопероксидазу. Другие гранулы переносят рецепторы для комплемента, адгезии и цитокинов и готовы к экзоцитозу получив сигнал. Незрелые нейтрофилов еще не имеют характерного ядра полиморфноядерных клеток (зрелых нейтрофилов), ядро в виде палочки. Для распознавания и связывания мишеней нейтрофилы используют в основном Fc рецепторы и рецепторы комплемента, рецепторы распознавания образов.
Макрофаги фагоцитируют патогены и презентируют антиген. Они могут что-то фагоцитировать, и освобождать антииммунные (толерогенные) сигналы, не секретировать сигналы, или секретировать проиммунные (иммуногенные) сигналы. В крови они
циркулируют как моноциты в течение суток, затем мигрируют в ткани, где дифференцируются в макрофаги (больше цитоплазмы, гранул и складчатая мембрана). Макрофаги имеют рецепторы к комплементу, Fc и рецепторы распознавания образов.- Макрофаги являются важнейшими регуляторами как адаптивного, так и врожденного иммунного ответ.
- Естественны киллеры (ЕK) являются важными эффекторными лимфоцитами врожденного иммунитета, которые проявляют цитолитическую активность против различных аллогенных внутриклеточных мишеней в неспецифических, контакт-зависимых, не фагоцитарных процессах, которые не требует предварительной сенсибилизации антигеном. ЕК клетки имеют несколько свойств обычных цитотоксических Т-клеток (ЦЛТ), в том числе аналогичные механизмы цитолиза. Цитолитическая активность ЕК опосредована формированием пор в клетке-мишени с последующей секрецией в мишень белков, таких как гранзимы и перфорин, сериновые протеазы и другие. Их цитотоксическая активность позитивно регулируется с помощью IL-2, IL-15 и интерферонов, и негативно простагландинами и TGF-β.
- Естественные киллеры Т клетки (ЕКТ) – представляют собой различные линии Т-клеток, которые экспрессируют инвариантный Т-клеточный рецептор αβ (TCR αβ) и имеют на поверхности ряд маркеров, общих с ЕК. ЕКТ клетки рестриктированы по неполиморфной CD1d молекуле и активируются гликолипидами антигенов, представленными CD1d. Для идентификации мышиных и человеческих ЕKT может быть использованы CD160 и Vα24Jα18 соответственно
- Интраэпителиальные γδ Т-клетки (освобождают провоспалительные цитокины),
- B-1 клетки (синтез неспецифических «естественных» антитела).
Врожденный иммунитет активируется паттерн-распознающими рецепторами (PRRs), которые узнают паттерны патоген ассоциированных молекул (РАМРs, подобно ЛПС, CpG DNA, fMet, dsRNA и др.).
Паттерны патоген ассоциированных молекул должны быть экспрессированы на патогене, но отсутствовать у хозяина. Они имеют тенденцию к структурной инвариантности для группы возбудителей, и жизненно необходимы патогенам. Это полисахариды / нуклеотиды, но не белки.
Паттерн распознающие рецепторы (PRRs) являются генетически закодированной линией и не подвержены реаранжировке.
Взаимодействие паттерн распознающих рецепторов с патером патоген ассоциированных молекул инициирует внутриклеточные сигнальные каскады, которые обычно заканчиваются передачей сигнала в ядро и синтезом провоспалительных цитокинов.
Екатерина Умнякова
Друзья, продолжаем делиться с вами материалами лектора «Зануды», научного сотрудника и аспиранта Института экспериментальной медицины Екатерины Умняковой. В своём блоге Екатерина рассказывает об иммунитете. Сегодня — об основных типах клеток врождённого иммунитета, их отличительных чертах и функциях.
Мы уже успели обсудить то, что и у врождённого, и у приобретённого иммунитета есть собственные клетки и молекулы. Именно им принадлежит функция поддержания постоянства состава внутренней среды. Иначе говоря, при вторжении патогена — «чужого» или при появлении изменённого «своего» — запускаются механизмы ликвидации угрозы со стороны этих явлений.
Клетки иммунитета образуются в наших иммунных органах. Эти клетки помимо того, что могут контактировать с источником заболевания или инфекции (инфицирующим агентом) и непосредственно уничтожать угрозу, выделяют молекулы иммунитета, которые также осуществляют защитные функции. Но о них чуть позже.
Поговорим о клетках врожденного иммунитета. Эти клетки являются различными видами белых кровяных телец — лейкоцитов — и образуются в красном костном мозге. Соответственно, их предшественник — стволовая клетка крови.
Клеточное звено врождённого иммунитета включает следующие типы клеток:
- нейтрофилы (50—70% от общего числа лейкоцитов);
- большие гранулярные лимфоциты — натуральные киллеры (20—35%);
- моноциты/макрофаги (3—7%);
- эозинофилы (1—3%);
- базофилы (0—1%).
Клетки одного и того же типа имеют одинаковый набор рецепторов, которые распознают патогены. Эти рецепторы закодированы в нашей ДНК, неизменны в течение жизни.
Они распознают болезнетворные организмы по структурам жизненно важных для микробов молекул, которые не могут быть изменены в результате одной мутации (т. е. по каким-то весьма консервативным и определённым паттернам). Затем клетки врождённого иммунитета запускают механизмы уничтожения угрозы со стороны патогенов, а также одновременно активируют приобретённый иммунный ответ. Сначала в течение нескольких дней запускаются механизмы врождённого иммунитета, а после уже начинает работать приобретённый иммунитет.
Наиболее многочисленными и важными клетками являются нейтрофилы и макрофаги. Эти способные к фагоцитозу клетки (др. греч. φαγεῖν «пожирать» + κύτος «клетка», т. е. клетки, «поедающие» и «переваривающие» твёрдые частицы) используют одни и те же механизмы уничтожения чужого. Ниже представлены видеофрагмент, на которомхможно увидеть процесс захвата бактерий фагоцитами.
Нейтрофилы живут около суток, активируются при остром воспалении и уничтожают только бактерии с использованием активных форм кислорода, а также с помощью антимикробных белков и пептидов, которые содержатся в гранулах. Эти клетки широко представлены в циркуляции. Более того, они очень мобильны и, как правило, первыми реагируют на вторжение патогена. На рисунке ниже представлены отличительные черты этих клеток.
В отличие от нейтрофилов, макрофаги живут недели, действуют при хроническом воспалении. Они способны атаковать многие микроорганизмы, не только бактерии. Более того, макрофаги способны «показывать» клеткам приобретённого иммунитета участки молекул патогена (презентируют антиген). Эти клетки выделяют множество сигнальных молекул для клеток приобрётенного иммунитета, то есть они являются важнейшими регуляторами как врождённого, так и приобретённого иммунного ответа. Основные черты этих клеток — на рисунке ниже.
Мы рассмотрели два основных типа клеток, однако есть и другие клетки, участвующие в реакциях врождённого иммунитета: эозинофилы, базофилыи натуральные киллеры. Основной вклад этих клеток в том, что они борются с вторжением простейших паразитов и паразитических червей, мобилизуют другие иммунные клетки, а также предотвращают распространение в организме вирусов.
Таким образом, клетки врождённого иммунитета обеспечивают первую линию обороны иммунной системы, которая включает механизмы быстрой стереотипной защиты. Решительные действия со стороны клеток врождённого иммунитета предотвращают развитие инфекции в организме, однако у патогенов есть различные способы обойти этот иммунный ответ с помощью различных уловок. Но обо всем этом вы, дорогой читатель, узнаете позже.
Не болейте, укрепляйте свой врождённый и приобретённый иммунитет!
Компоненты системы комплемента
Особую группу рецепторов врожденного иммунитета составляют паттерн-распознающие рецепторы (patern recognition recepror – PRR). К ним относятся Toll, NOD, RID – рецепторы. Эти рецепторы распознают общие для многих типов микроорганизмов структуры – липополисахариды, пептидогликаны, флагеллин.
Toll – рецепторы имеют на своей поверхности различные клетки иммунной системы – моноциты, макрофаги, дендритные клетки, нейтрофилы, лимфоциты, а также другие клетки организма – фибробласты, эпителиальные, эндотелиальные клетки. В настоящее время у человека идентифицировано 10 Toll – подобных рецепторов.
Таблица. Toll-подобные рецепторы (TLR) человека и их лиганды
| TLR | Лиганды | Патогены |
| TLR1 | Липопептиды | Грамотрицательные бакетрии, микобактерии |
| TLR2 | Пептидогликан, липотейхоевые кислоты | Грамположительные бактерии, грибы |
| TLR3 | Двухцепочные РНК | Вирусы |
| TLR4 | Липополисахарид | Грамотрицательные бактерии |
| TLR5 | Флагеллин | Бактерии |
| TLR6 | Диациллипопептиды, липотейхоевые кислоты | Микобактерии, грамположительные бактерии, грибы |
| TLR7 | Одноцепочечные РНК | Вирусы |
Таблица. Toll-подобные рецепторы, расположенные на клетках иммунной системы
| Клетки иммунной системы | Toll — рецепторы |
| Нейтрофилы | TLR1,2,4,5,6,7,8,9,10 |
| Моноциты/макрофаги | TLR1,2,4,5,6,7,8 |
| Дендритные клетки | TLR1,2,4,5,6,8,10 |
| В-лимфоциты | TLR1,3,6,7,9,10 |
| Т-лимфоциты (Th1/Th2) | TLR2,3,5,9 |
| Т-лимфоциты (регуляторные) | TLR2,5,8 |
Экспрессия Toll – рецепторов обеспечивает важную связь между врожденным и адаптивным иммунитетом, поскольку их активация приводит к превращению фагоцитов в эффективные антигенпрезентирующие клетки. Экспрессия большинства Toll – рецепторов увеличивается при действии провоспалительных цитокинов.
NOD – рецепторы распознают вещества, которые образуются при повреждении клеток организма (АТФ, кристаллы мочевой кислоты) и вызывают развитие воспалительного процесса. NOD – рецепторы имеются на макрофагах, дендритных клетках, эпителии слизистых оболочек.
Особую группу представляют рецепторы, повышающие эффективность фагоцитоза. К ним относятся рецепторы к С3-компоненту комплемента и Fc-фрагменту иммуноглобулинов. Антиген в комплексе с антителом захватывается клетками врожденного иммунитета через Fc-рецепторы, которые взаимодействуют с Fc-фрагментом иммуноглобулинов. Фагоцитоз опсонизированного объекта (покрытого антителом) в сотни раз более эффективен, чем фагоцитоз свободного объекта.
Гуморальные факторы врожденного иммунитета
Гуморальные факторы врожденного иммунитета – это белки, присутствующие в сыворотке крови, секретах слизистых оболочек, которые синтезируются клетками иммунной системы и могут оказывать бактерицидное, опсонизирующее и т.д. действие на организмы.
Комплемент – система сывороточных белов крови, каскадная активация которых приводит к лизису бактерий, собственных клеток, инфицированных внутриклеточными паразитами, разрушению иммунных комплексов.
Состоит более, чем из 20 инертных белков сыворотки, 9 из которых являются основными и обозначаются как С1, С2 и т.д. — С9. Формирование комплемента в единое целое или его активация происходит при внедрении в организм чужеродных антигенов.
Комплемент может активироваться двумя путями: классическим и альтернативным.
Альтернативный путь активации комплемента
Альтернативный путь активации – неспецифический процесс, который запускают компоненты клеточной стенки (липополисахариды) бактерий (особенно грамотрицательных), грибов, гельминтов, инфицированных вирусами клеток.
Фермент сыворотки С3-конвертаза адсорбируется на мембране микроорганизма. Белок пропердин стабилизирует эту связь. С3-конвертаза активирует С3 и С5. Продукты активации С3b и С5b соединяются с мембраной микроорганизма, С3а и С5а – поступают в циркулирующую кровь. Затем с мембраной микробной клетки последовательно соединяются белки мембраноатакующего комплекса — С6, С7, С8, С9. Образуется трансмембранный канал, через который внутрь микроорганизма поступают ионы натрия и воды, что и приводит к лизису атакуемой клетки.
Классический путь активации комплемента
Активируется иммунными комплексами: антиген+специфическое антитело. Начинается с активации С1, С4 и С2, образуется сложное соединение, работающее как С3-конвертаза.
Дальнейшие процессы аналогичны альтернативному пути активации комплемента и завершаются формированием трансмембранного канала и лизисом иммунного комплекса.
Лектиновый путь активации комплемента
Многие бактерии имеют на своей поверхности остатки маннозы. Среди белков сыворотки крови содержится лектин. Связывание лектина и маннозы запускает расщепление С4, затем активируется С2, процесс протекает аналогично классическому пути и завершается формированием мемраноатакующего комплекса.
Биологические функции системы комплемента
- Цитолиз бактериальных клеток, а также собственных клеток – инфицированных и опухолевых (лектиновый, альтернативный, классический путь).
- Разрушение иммунных комплексов (классический путь).
- Опсонизация (облегчение фагоцитоза) благодаря фиксации С3b на микробной стенке.
- Усиление хемотаксиса под влиянием С3a и C5a (активное движение фагоцитов в очаг воспаления).
- С3a, C4a, C5a вызывают дегрануляцию тучных клеток и базофилов. Под действием биологически активных веществ увеличивается проницаемость сосудов и приток нейтрофилов в очаг воспаления.
Противомикробные пептиды – катионные белка, способные поражать вирусы, грибы, простейшие. Синтезируются нейтрофилами и эпителиальными клетками при взаимодействии их Toll – рецепторов с антигеном. Осуществляют мгновенный иммунитет. Часто их называют эндогенными антибиотиками. Различают 2 основных вида – дефенсины и кателицидины.
Механизм действия: противомикробные пептиды разрушают наружные мембраны микроорганизмов. Мембраны бактериальных клеток заряжены отрицательно, а пептиды положительно. Разность зарядов обеспечивает их взаимодействие. Катионные белки встраиваются в мембрану микробной клетки, образуя поры. Бактериальная клетка теряет ионы калия, аминокислоты. Внутрь клетки поступает вода, обеспечивая ее гибель.
Белки острой фазы продуцируются моноцитами, макрофагами, фибробластами. Синтез белков острой фазы существенно повышается в ответ на инфекцию.
С-реактивный белок (CRB) связывается с поверхностью бактерий, активирует систему комплемента. При бактериальной инфекции увеличивается в 100 раз.
Маннозосвязывающий лектин активирует систему комплемента по лектиновому пути.
Сывороточный амилоид А выступает в роли хемоаттрактанта.
Фибриноген выступает как опсонин
Лизоцим – фермент, содержащийся в отделяемом слизистых оболочек глаз, ротовой полости, носоглотки, грудном молоке. Вырабатывается моноцитами крови и тканевыми макрофагами. Разрушает пептидогликаны клеточных стенок бактерий.
Клетки врожденного иммунитета
К клеткам врожденного иммунитета относят макрофаги, дендритные клетки, нейтрофилы, тучные клетки, эозинофилы, базофилы, NK-клетки.
Моноциты циркулируют в крови, вырабатывают некоторые цитокины, при попадании в ткани дифференцируются в макрофаги или дендритные клетки.
Нейтрофилы обладают высокой мобильностью и являются основными клетками на ранних стадиях воспалительного процесса.
Эозинофилы содержатся в крови и тканях. Осуществляют антипаразитарную защиту путем внеклеточного цитолиза.
Фагоцитоз
Фагоцитоз – это активное распознавание и поглощение микроорганизмов фагоцитирующими клетками с их последующей инактивацией и перевариванием. Фагоцитоз – самый древний вид защиты, унаследованный нами в ходе эволюции. Выраженной фагоцитарной активностью обладают нейтрофилы, моноциты и макрофаги.
Нейтрофилы происходят от стволовой клетки костного мозга. Это короткоживущие неделящиеся клетки с сегментированным ядром и набором гранул, содержащих большое количество бактерицидных веществ. Их время жизни составляет 2-3 суток. Нейтрофилы являются основными клетками, осуществляющими уничтожение внеклеточных микроорганизмов.
Макрофаги образуются из стволовой клетки красного костного мозга, на территории которого дифференцируются до стадии моноцита. Моноциты попадают в ток крови и расселяются по тканям, превращаясь в тканевые макрофаги, где функционируют в течение недель или месяцев. Для них характерно изобилие гранул, близких по составу к содержимому гранул нейтрофилов.
Их функциями является поглощение и уничтожение внедрившихся микроорганизмов (в основном внутриклеточных), а также поврежденных, дегенерированных, вирусинфицированных и опухолевых клеток и образующихся иммунных комплексов. Это клетки — «мусорщики».
Нейтрофилы осуществляют основную защиту от пиогенных (внеклеточных) бактерий, макрофаги – от внутриклеточных паразитов (вирусы, грибы, простейшие).
Нейтрофилы – это основные участники острого воспаления, макрофаги – хронического, они способны стимулировать образование гранулем.
Функции фагоцитов:
- Фагоцитарная – захват и внутриклеточное переваривание микроорганизмов.
- Антигенпрезентирующая – презентация антигена Т-лимфоцитам в комплексе с молекулами главного комплекса гистосовместимости (HLA). Этой функцией обладают антигенпрезентирующие макрофаги.
- Секреторно-регуляторная – синтез и секреция некоторых белков системы комплемента, отдельных цитокинов, лизоцима, белков системы свертывания крови.
- Цитотоксическое действие фагоцитов.
Связывание патогена с фагоцитом может быть прямым и опосредованным. Прямое распознавание происходит с участием Toll-рецепторов. При опосредованном распознается опсонизированный объект, покрытый антителами или C3b – компонентом комплемента.
Фагоцитарный процесс состоит из нескольких этапов
адгезия (прикрепление фагоцитирующих клеток к объекту фагоцитоза)
переваривание (киллинг и расщепление)
Для того, чтобы процесс фагоцитоза произошел, необходимо сближение фагоцитирующих клеток с антигеном, который вызвал повреждение. Для этого нейтрофилы должны покинуть кровеносное русло, поскольку очаги внедрения антигена чаще имеют тканевую локализацию. Это возможно благодаря хемотаксису. Хемотаксис – движение фагоцитов по концентрационному градиенту химических веществ – хемоаттрактантов. В роли хемоаттрактантов для нейтрофилов выступают продукты жизнедеятельности бактерий, белки системы комплемента, цитокины и.т.д.
Основными хемоаттрактантами для макрофагов являются гамма-интерферон, хемотаксический макрофагальный фактор.
Начинается с адгезии (прилипания) микробной частицы к поверхности фагоцита. Процесс поглощения идет эффективнее, если микробные клетки опсонизированы, то есть покрыты белками системы комплемента и специфическими антителами класса IgG. Особенно важно это для бактерий, имеющих капсулу (пневмококк, менингококк, кишечная палочка, гемофильная палочка и т.д.)
Участок мембраны фагоцита в месте контакта с объектом уплотняется, вытягивается и надвигается на объект подобно механизму застежки «молния» до тех пор пока объект не будет полностью поглощен в фагосому.
Цитоплазматические гранулы фагоцитирующих клеток сливаются с фагосомой и образуется фаголизосома, в которой происходит киллинг и разрушение захваченной микробной частицы с помощью антимикробных факторов. Антимикробные системы делятся на те, которые требуют кислород – кислородзависимые и те, которые не требуют кислород – кислороднезависимые.
Кислородзависимые факторы (активные формы кислорода) образуются в ходе респираторного взрыва, представляющего собой каскад окислительных реакций.
- супероксидный анион (О2 — )
- перекись водорода (Н2О2)
- синглетный кислород (О2)
- гидроксильный радикал (ОН˙)
- оксид азота (NO)
Активные формы кислорода являются очень мощными окислителями, вызывают повреждение липидов, белков, ДНК мироорганизмов, оказывают летальное действие на биологические системы.
К кислороднезависимой группе бактерицидных факторов относятся лизоцим, некоторые протеолитические ферменты, лактоферрин, катионные белки, дефенсины.
Лактоферрин – связывает железо, предотвращает рост и размножение бактерий.
Катионные белки – вызывают повреждение клеточных мембран, лизируют бактериальные клетки.
Дефенсины – встраиваются в липидный слой клеток, нарушают ее проницаемость, обладают летальным действием на широкий спектр бактерий, грибов, вирусов.
Экзоцитоз – удаление продуктов разрушения
Восстановление цитоплазматической мембраны фагоцита.
Натуральные киллеры (NK)
Основные клетки иммунобиологического надзора, нацелены на уничтожение вирусинфицированных и опухолевых клеток до формирования адаптивного иммунного ответа. Большие зернистые лимфоциты, в их цитоплазме имеется большое количество гранул, содержащих перфорины и гранзимы. При контакте с клеткой-мишенью перфорины выбрасываются во внеклеточное пространство и образуют поры в клетке-мишени. Через поры в клетку попадают гранзимы, способные активировать каспазы и инициировать апоптоз (запрограммированную клеточную смерть).
Натуральные киллеры не распознают специфический антиген. Они осуществляют лизис собственных клеток, на поверхности которых снижена экспрессия молекул гистосовместимости 1 класса ( HLA1 или МHC1), что часто наблюдается при вирусных инфекциях и раке. Активируются ИЛ-12 и ИФ-γ. Перечень патогенов, являющихся мишенью для NK-клеток достаточно широк. Показана повышенная чувствительность к развитию злокачественных новообразований и вирусных инфекций у пациентов с нарушенной дифференцировкой NK – клеток.
источник