загрузка...
 
Фагоцитоз
Повернутись до змісту

Фагоцитоз

Основные фагоцитирующие клетки организма млекопитающих еще со времен их открытия разделены на микро- и макрофаги.

Эти клетки развиваются из стволовых кроветворных клеток красного костного мозга, дающих при делении стволовую миелоидную клетку. Стволовая миелоидная клетка является предшественником всех не относящихся к лимфоцитам клеток крови и в зависимости от воздействующих на нее гуморальных факторов (цитокинов) в дальнейшем способна развиваться в гранулоцитарно-моноцитарную клетку. Последняя же имеет два потенциальных пути развития - либо в монобласт (моноцитарную клетку), являющуюся предшественником моноцитов, либо в миелобласт (гранулоцитарную клетку) -

прародительницу гранулярных лейкоцитов.

Монобласты, при воздействии таких гуморальных факторов, как мо- ноцитарно-макрофагальный колониестимулирующийфактор (М-КСФ) и частично интерлейкин-6 (ИЛ-6), превращаются в промоноциты, а те - в моноциты. Этот этап развития имеет среднюю продолжительность 5060 часов, но в кровоток моноциты попадают еще через 13-26 часов, которые уходят на окончательное формирование всех поверхностных молекул, необходимых для транспортировки по кровеносным сосудам и последующего проникновения в ткани. Считается, что моноциты непосредственно в крови находятся не более 4-х суток и большая их часть уже на вторые сутки перемещается через стенки капилляров, превращаясь в тканевые макрофаги. Продолжительность жизни макрофагов различается в зависимости от мест их локализации, но в большинстве случаев они существуют около 40 дней. Процесс их образования ускоряется или замедляется в зависимости от состояния организма, но в среднем общая численность макрофагов у здорового взрослого человека определена как 2 • 1011. Большая часть этих клеток за время своего существования не делится - только 2-3 % сохраняют способность к пролиферации.

Зрелые макрофаги отличаются наличием на своей поверхности специфических молекул, необходимых для проявления свойственных макрофагам функций. Поскольку одной из основных их функций является фагоцитоз, макрофаги обладают связывающими бактериальные липопо- лисахариды рецепторами, наиболее выраженным из которых является молекула СБ14. Кроме этого, в закреплении на поверхности макрофагов подлежащих фагоцитированию частиц играют существенную роль рецепторы для Бе-частей иммуноглобулинов класса О (Беу-рецепторы) - СБ64, СБ32, СБ16 и рецепторы для компонентов комплемента, главными из которых являются СБ35 и СБ21, распознающие фрагменты молекулы С3. Крайне важными поверхностными молекулами являются также рецепторы для интерлейкинов и молекулы, участвующие в процессах взаимодействия с другими клетками, часть из которых будет рассмотрена в других разделах курса.

Отличительной чертой макрофагов является их способность к активному движению, что обусловлено особыми свойствами их цитоскелета и наличием на их поверхности еще одной группы специализированных молекул - рецепторов для хемокинов (хемокинами называют различные вещества, способные побудить фагоцитирующую клетку к движению в определенном направлении).

Главными фагоцитирующими клетками среди микрофагов являются нейтрофилы. Они, как и другие гранулоциты, развиваются в красном костном мозге из миелобластов. В течение 106-116 часов миело- бласты постепенно проходят стадии промиелоцита, миелоцита, палочкоядерного нейтрофила. Развитие их считается законченным, когда их ядро приобретает характерную именно для нейтрофилов сегментированность (сегментированное подковообразное ядро является наиболее характерной отличительной особенностью морфологии нейтрофилов), но при стимуляции миелопоэза они могут покидать красный костный мозг и на стадии палочкоядерной клетки.

Нейтрофилы - самая многочисленная группа из всех лейкоцитов, у взрослого здорового человека их количество составляет около 70 % от общего числа белых кровяных телец. Продолжительность их жизни не велика - 2-3 дня, причем после выхода из красного костного мозга они только 8-10 часов пребывают в кровотоке, а затем перемещаются в ткани, где погибают либо в процессе борьбы с чужеродными агентами, либо по механизму апоптоза. Считается, что зрелые нейтрофилы не способны к синтезу белка, поэтому их численность не может поддерживаться за счет пролиферации, и каждые сутки в организме здорового взрослого человека образуется 1011 таких клеток.

На поверхности нейтрофилов также присутствуют рецепторы для бактериальных липополисахаридов (СБ14), Беу-рецепторы (СБ32 и СБ16), рецепторы для хемокинов и интерлейкинов. Нейтрофилы эффективнее всех других клеток отвечают на хемотаксические стимулы и вероятно поэтому их количество в месте запуска воспалительной реакции увеличивается в 100 раз уже через две минуты после введения активного чужеродного агента, например бактериальных клеток.

Эозинофилов в организме значительно меньше - от 0,5 до 2 % от общего числа лейкоцитов. Развиваются они аналогично нейтрофилам, но их развитие наиболее чувствительно к ИЛ-5, известному как фактор роста и дифференцировки эозинофилов. Считается, что именно под влиянием ИЛ-5 миелоциты начинают формировать не азурофильные, как у нейтрофилов, гранулы, а эозинофильные, содержащие так называемый главный щелочной белок в кристаллической форме и перекиси (крупные гранулы) и кислую фосфатазу, арилсульфатазу и ряд других гидролитических компонентов с бактерицидным действием (мелкие гранулы). После выхода из красного костного мозга они находятся в кровотоке около получаса и перемещаются в ткани, где существуют максимально до 25 дней (время полужизни - 12 суток).

На поверхности зрелых эозинофилов находятся Беу-рецептор СБ32 и Бее-рецептор СБ23 (это низкоаффинный рецептор для ]^Е, который нужен для привлечения эозинофилов в очаг поражения, т. е. срабатывающий фактически как хемотаксический рецептор), рецептор для компонентов комплемента (CD35) и специфический маркер CD9, по наличию которого эти клетки при необходимости можно отличать от нейтрофилов.

Фагоцитарная активность выражена у эозинофилов значительно слабее, чем у нейтрофилов и макрофагов, но они способны осуществлять так называемый внеклеточный цитолиз, выделяя из своих гранул переведенный при определенной активации в жидкое состояние щелочной белок. Благодаря такой активности, например, осуществляется борьба с некоторыми паразитами, которых невозможно фагоцитировать сразу (паразитические черви).

Базофилы представляют собой самую малочисленную группу гра- нулоцитов - их количество у млекопитающих оценивают как 0,2-0,5 % от общего числа лейкоцитов. Это сильно гранулированные клетки, имеющие окрашивающиеся основными красителями гранулы с различным содержимым. В основном в гранулах базофилов выявляются хондроитинсульфаты А и С, гепарин и кислые глюкозоаминогликаны, а также серотонин (у грызунов) или гистамин, совместное действие которых на стенки кровеносных сосудов наиболее ярко проявляется при повышении их концентрации в ходе развития воспалительной реакции. Кроме этого в гранулах базофилов присутствуют пероксидаза, рибонуклеаза, гистидинкарбоксилаза, различные дегидрогеназы и протеиназы, близкие по действию к пищеварительным ферментам.

Развитие базофилов происходит по общей для всех гранулоцитов схеме, но в период окончательного созревания они обязательно приобретают специфические поверхностные молекулы, позволяющие им в отличие от других клеток связывать иммуноглобулины Е. Fcs-рецепторы базофилов принято делить на две группы - FcsRI и FcsRII, причем первые обладают значительно более высокой, чем вторые, способностью присоединять и удерживать иммуноглобулин. Именно с их наличием связывают уникальную способность базофилов и происходящих от них тучных клеток выбрасывать содержимое своих гранул при воздействии на эти клетки антигенов, комплементарных закрепленных на их поверхнос-ти иммуноглобулинам, и тем самым выступать в качестве основных эффекторов гиперчувствительности немедленного типа. В случаях же первичного проникновения чужеродных агентов во внутреннюю среду организма именно базофилы и тучные клетки, как уже указывалось выше, определяют развитие воспаления как защитной реакции.

Превращение базофилов в тучные клетки происходит вследствие проникновения первых через стенки капилляров как во вторичных лимфоидных органах (например, в селезенке), так и в контактирующем с окружающей средой эпителии и подстилающих его слоях (слизистые оболочки пищеварительного, дыхательного и урогенитального трактов) или же в собственно коже. Значительное количество (104-106 на 1 грамм ткани) тучных клеток постоянно находится в серозных оболочках внутрен-них органов и в окружающей капилляры соединительной ткани. Переход из кровотока в тканевую жидкость сказывается как на морфологических, так и на физиологических свойствах клеток. Тучные клетки по сравнению с базофилами имеют большие размеры, в них увеличивается количество гранул, а их поверхность приобретает ворсинчатое строение. Кро-ме того, тучные клетки приобретают способность восстанавливать гранулы после дегрануляции и в отличие от базофилов способны к делению. Причем их пролиферативная способность различается в зависимости от локализации - находящиеся в серозных оболочках тучные клетки нуждаются для стимуляции деления в интерлейкине-3 (ИЛ-3), а локализованные в слизистых - одновременно в ИЛ-3 и ИЛ-4. Этот факт, а также еще не полностью выясненная зависимость тучных клеток слизистых оболочек от тимуса (у тимэктомированных или изначально бестимусных животных эти клетки отсутствуют) позволяет некоторым авторам рассматривать тучные клетки слизистых и серозных оболочек как две функционально и морфологически различающиеся субпопуляции. Продолжительность жизни тучных клеток обоих субпопуляций оказывается значи-тельно большей, чем у других гранулоцитов, и исчисляется месяцами, а иногда и годами. Несмотря на то, что базофилы и их производные обла-дают фагоцитарной активностью, роль их как фагоцитирующих клеток считается незначительной.

Собственно процесс фагоцитоза может различаться в некоторых деталях у различных групп фагоцитов, но общая схема его осуществления является следующей.

Условно весь процесс принято делить на несколько этапов. Первым из них считается хемотаксическое перемещение фагоцитирующей клетки к объекту фагоцитирования. Аттрактантами для фагоцитов могут являться как вещества, выделяемые проникшим во внутреннюю среду чужеродным агентом, так и вещества, появившиеся в тканевой жидкости в результате воздействия чужеродного агента на клетки организма. В частности, при разрушении клеток бактерий в тканевой жидкости появляется состоящий из формил-метионина, лейцина и фенилаланина (сокращенно ?МЬР) короткий пептид, являющийся у прокариот инициатором синтеза белка и абсолютно несвойственный эукариотическим клеткам. Среди наиболее типичных хемоаттрактантов собственного происхождения можно назвать медиаторы воспаления (лейкотриен В4, гистамин и др.), продукты активации системы комплемента (С3а и С5а), образующиеся при запуске системы свертывания крови вещества (тромбин, фибрин), выделяемые различными клетками крови цитокины (ИЛ-1Р, ИЛ-2 и др.). Для этих веществ на поверхности фагоцитирующих клеток имеются специфические рецепторы, присоединение к которым действующего агента вызывает изменение связанного с рецепторами белка О, что и приводит к запуску целого ряда процессов. В частности, повышается восприимчивость клеток к различного рода активирующим факторам, повышается секреторная активность фагоцитов, но главным применительно к хемотаксису является перестройка цитоскелета и, как следствие этого, поляризация клетки. Клетка из округлой становится треугольной, в обращенной в сторону движения части цитоплазмы уменьшается количество органелл и появляется сеть состоящих из Б-актина микрофила- ментов, сокращение которых и определяет движение всей клетки в нужном направлении. На мембране в этой части клетки появляются в большем количестве интегрины - специфические молекулы для усиления адгезии движущейся клетки на стенках капилляров кровеносной системы, а также усиливается продукция фагоцитом катепсинов, коллагеназы и эла- стазы, способствующих проникновению через подстилающие эпителий базальные мембраны. Именно благодаря таким изменениям фагоцитирующие клетки и могут достаточно быстро перемещаться из крови к месту повреждения тканей, т. е. потенциального проникновения чужеродных агентов.

Сам же чужеродный агент в это время, как правило, опсонизируется, т. е. к его поверхности прикрепляются молекулы С3Ь из системы комплемента и (если таковые имеются в организме) иммуноглобулины класса О, комплементарные антигенным детерминантам чужеродного агента. От того, насколько эффективно произойдет опсонизация, зависит следующий этап фагоцитоза - связывание фагоцита и чужеродного объекта.

Подобного рода связывание (часто называемое адсорбцией или адгезией) может происходить тремя способами. В том случае, когда чужеродный агент еще не успел опсонизироваться, его прикрепление к мембране фагоцита происходит в результате неспецифических взаимодействий. В частности, это может быть прилипание либо за счет лектинопо- добной активности поверхностных молекул наружной мембраны грамот- рицательных бактерий, либо за счет имеющихся на поверхности фагоцита интегринов. Как уже упоминалось ранее, интегрины способствуют взаимодействию клеток организма между собой и это обусловлено их сродством к определенным углеводным компонентам клеточных поверхностей. В ряде случаев имеет место частичное совпадение углеводных фрагментов у поверхностных молекул некоторых грамотрицатель- ных бактерий и клеток млекопитающих, что и способствует адсорбции таких бактерий на поверхности фагоцита. Однако во всех этих случаях прикрепление оказывается непрочным, и последующее поглощение и уничтожение прикрепленной частицы оказывается наименее эффективным.

Два других способа связывания обеспечиваются специфическими взаимодействиями и реализуются в тех случаях, когда чужеродная частица опсонизирована. Связано это с наличием на поверхности фагоцитирующей клетки специализированных рецепторов для молекулы С3Ь (СБ35, СБ21, СБ11Ь/СБ18 и СБ11е/СБ18), а также рецепторов БеуП и БеуШ (СБ32 и СБ16 соответственно), обладающих высоким сродством к определенным участкам Бе-частей иммуноглобулинов класса О. Прикрепление за счет этих рецепторов, во-первых, оказывается в несколько раз прочнее описанного чуть ранее неспецифического, а во- вторых, и это наиболее существенно, благодаря опсонизации любые частицы, несмотря на различия в их поверхностях, могут одинаково эффективно прикрепляться и, следовательно, уничтожаться фагоцитирующими клетками.

Следующим этапом фагоцитоза является формирование фагосомы. Следует отметить, что взаимодействие специфических поверхностных структур фагоцита со специфическим для них субстратом служит одним из сигналов для его активации. Активация начинается с диссоциации связанного с рецепторами внутриклеточного белка О, который в диссоциированном состоянии активирует фосфолипазу С, катализирующую распад фосфоинозитидов до диацилглицерина и инозитол-3-фосфата. Под влиянием последнего начинается мобилизация из внутриклеточных депо ионов Са2+, а диацилглицерин в присутствии ионов кальция активирует протеинкиназу С. Под воздействием последней происходит перемещение белков цитоскелета к рецепторам, связанным с адгезированной частицей, и в данном месте клетки возникают псевдоподии, охватывающие частицу. Внутри псевдоподии низкомолекулярный О-актин полиме- ризуется в нитевидный Б-актин, из которого формируются цитофиламен- ты псевдоподии. Вследствие сокращения этих филаментов и изменения вязкости цитоплазмы за счет сшивания актиновых филаментов специальным белком актиногелином (этот белок перекрестно связывает нити F-актина и переводит тем самым цитоплазму в данном участке в состояние геля) возникает зона повышенной жесткости цитоплазмы, что обеспечивает ее локальное вдавливание в области контакта с фагоцитируемой частицей. При этом частица полностью охватывается мембраной фагоцита и происходит замыкание ее по принципу застежки «молния».

Далее происходит превращение фагосомы в фаголизосому благодаря объединению с ней имеющихся в цитоплазме фагоцитирующей клетки лизосом.

Следует отметить, что начавшаяся при адгезивном контакте чужеродной частицы и фагоцита активация выражается не только в уже описанных процессах поглощения частицы, но и в подготовке к развитию так называемого кислородного (или дыхательного) взрыва. Под этим понимают происходящее с обязательным участием молекулярного кислорода и развивающееся в течение нескольких секунд после поглощения частицы образование химических продуктов, обладающих сильно выраженным окислительным действием. Высокая реакционная способность таких продуктов делает их сильнейшими бактерицидными веществами, и именно их действие определяет так называемую кислородзависимую инактивацию фагоцитированных микроорганизмов (ил.3).

В основе кислородного взрыва лежит ряд последовательно происходящих реакций, начинающийся с накопления значительных количеств восстановленного НАДФ в процессах превращения глюкозы, описанных как гексозомонофосфатный шунт. Присутствующий в мембране образовавшейся фагосомы фермент НАДФН-оксидаза активируется уже упоминавшейся выше протеинкиназой С и катализирует превращение молекулярного кислорода в супероксид- анион, при участии которого образуются еще несколько обладающих бактерицидной активностью агентов: перекись водорода, синглетный кислород и гидроксил-радикал. Считается, что после слияния фагосомы с лизосомами в сформировавшейся фаголизосоме появляются миелопероксидаза, супероксиддисмутаза и каталаза. Под влиянием первой образуются дополнительные бактерицидные радикалы гипохлорит-анион и гипоиодит-анион, а каталаза и супероксиддисмутаза обеспечивают удаление избыточных количеств перекиси и супероксид- аниона, поскольку они опасны и для самой фагоцитирующей клетки.

Подобного рода кислородзависимый механизм инактивации характерен как для нейтрофилов, так и для макрофагов, но в характере его развития и протекания имеются еще не совсем идентифицированные различия. В частности, генерация кислородного взрыва у макрофагов нуждается, как установлено в экспериментах с применением ингибитора синтеза белка циклогексимида, в синтезе дополнительных белков. Кроме того, для макрофагов мышей описан еще один инактивирующий микобактерии цикл реакций с участием кислорода - образование оксида азота и его производных, формирующихся в результате взаимодействия NO с активными производными О2. Этот механизм инициируется при воздействии на фагоцитирующую клетку цитокинов - интерферона у и фактора некроза опухолей а, под влиянием которых активируется инду-

цибельная форма синтетазы оксида азота. Этот фермент в присутствии

2+

ионов Са , лейкотриена В4 и НАДФ катализирует присоединение кислорода к атомам азота в гуанидиновой группе в составе L-аргинина, что приводит при обязательном участии тетрагидробиоптерина к образованию NO и цитруллина. Образовавашийся оксид азота токсичен для некоторых видов болезнетворных бактерий, а также описано его губительное действие на злокачественно измененные клетки млекопитающих. Возникающие при взаимодействии NO с активными формами кислорода пероксинитриты также обладают бактерицидными свойствами.

Подобного рода процессы, происходящие в активно фагоцитирующих клетках, приводят к усилению поглощения фагоцитами кислорода, вот почему в очагах воспаления, несмотря на значительно повышенный приток крови к ним, обычно развивается нехватка кислорода - гипоксия.

Кроме описанных механизмов инактивации в фагоцитирующих клетках реализуются и так называемые кислороднезависимые. Они начинают проявлять себя после образования фаголизосомы, поскольку осуществляющие бактерицидное или бактериостатическое действие молекулы первоначально накапливаются в лизосомах различного типа.

Одной из групп подобным образом действующих соединений является группа катионных белков, включающая низкомолекулярные пептиды дефензины и имеющие большую молекулярную массу катепсин G, азуроцидин, белки р25, р37, р57 и ВР1. Дефензины обнаружены в лизосомах макрофагов кроликов и нейтрофилов человека и представляют собой состоящие из 30-33 аминокислотных остатков молекулы, которые при контакте с мембранами микробных клеток образуют в них ионные каналы, приводя тем самым микроорганизм к гибели. Считается, что действие дефензинов проявляется сразу же после реализации кислород- зависимых защитных механизмов, когда среда в фаголизосоме еще имеет щелочные значения рН. Установлено, что щелочная среда сохраняется в фаголизосоме около 15 минут, а затем за счет поглощения фаголизосо- мой ионов водорода рН сдвигается до значений 4,5. Это создает благоприятные условия для проявления активности гидролитических ферментов, попадающих в фаголизосому из слившихся с ней лизосом, и одновременно ограничивает поступление в микробную клетку питательных веществ. Присутствующий здесь же лактоферрин, способный связывать ионы железа таким образом, чтобы бактерии не могли его использовать, также считается бактерицидным фактором. Способствует снижению жизнеспособности фагоцитированных бактерий и прямое действие на их клеточную стенку лизоцима, имеющегося в специализированных лизо- сомах фагоцитов.

Как правило, сочетанное и последовательное действие описанных защитных механизмов приводит микроорганизм к гибели, а затем уже неспособные защищаться и репарировать себя клетки полностью разрушаются до низкомолекулярных веществ под влиянием ферментов - протеаз, липаз, нуклеаз и углеводдеструктирующих ферментов, которых в лизосомах фагоцитов выявлено более 60 разновидностей. В этом случае фагоцитоз считается завершенным, поскольку осуществлен последний этап - полная деструкция фагоцитированного объекта.

Однако некоторые патогенные микроорганизмы приобрели в ходе совместной с хозяином эволюции способность противостоять инактивирующему воздействию фагоцитов и сохранять жизнеспособность, находясь в фаголизосомах. Медики называют такое явление незавершенным фагоцитозом и считают его одной из причин, способствующих переходу ряда болезней из острых состояний в хронические. Механизмы, способствующие такому выживанию, не одинаковы у разных видов патогенов и, вероятно, не все еще изучены, но точно показано, что некоторые бактерии способны продуцировать каталазу, снижая тем самым бактерицидный эффект кислородзависимых путей инактивации. Представители рода Mycobacterium имеют в составе своих клеточных стенок содержащий фенолы гликолипид, эффективно связывающий свободные радикалы и препятствующий тем самым их действию на жизненноважные молекулы. Считается, что капсулированные формы некоторых бактерий сходным образом защищаются от свободных радикалов, но в данном случае инактиваторами активных форм кислорода и их производных служат вещества капсулы, которую при ее повреждении клетки патогена успевают восстанавливать. Микобактерии и лейшмании способны препятствовать слиянию лизосом с фагосомой и подавлять действие сдвигающего рН в сторону кислых значений протонного «насоса», продуцируя содержащие ионы аммония вещества. Для локализующихся внутри фагосом микобактерий показана также продукция особого вещества - липоарабиноманна- на, которое препятствует активирующему действию у-интерферона на фагоцит. Некоторые из патогенов даже способны размножаться либо находясь в фаголизосоме, либо, как это описано для микобактерий, разрушать мембрану фагосомы и репродуцироваться в цитоплазме фагоцита.

Следует отметить, что сохранившие жизнеспособность внутри фагоцитирующих клеток патогены укрываются таким образом от действия других защитных реакций организма-хозяина: на них не могут подействовать белки системы комплемента, иммуноглобулины и другие гуморальные факторы, они фактически не могут быть обнаружены другими фагоцитирующими клетками и для уничтожения такого патогена организму приходится убивать собственные фагоцитирующие клетки, используя цитотоксические Т-лимфоциты.



загрузка...