Ф.И. Ершов, А.Н. Наровлянский , М.В. Мезенцева НИИ эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф. Гамалеи РАМН, Москва Ранние цитокиновые реакции при вирусных инфекциях
Ф.И. Ершов, А.Н. Наровлянский , М.В. Мезенцева НИИ эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф. Гамалеи РАМН, Москва Ранние цитокиновые реакции при вирусных инфекциях
В обзоре изложена концепция роли ранних цитокиновых реакций (РЦР) организма на вирусное инфицирование. РЦР при вирусных инфекциях заметно отличаются от реакций на другие (невирусные) патогены. Приведены данные, показывающие, что изучение РЦР может оказаться полезным при отборе новых антивирусных препаратов. (Цитокины и воспаление. 2004. Т. 3, № 1. С. 3–6.)
Ранние цитокиновые реакции (РЦР) можно рассматривать как наиболее быстро развивающийся ответ организма на вирусное инфицирование. Классическим примером РЦР служит продукция интерферонов (IFN), наблюдающаяся практически сразу же после инфицирования клеток. Здесь мы имеем дело с естественным (врожденным) и наиболее распространенным вариантом РЦР на вирусы как внутриклеточные паразиты, когда вирусы сами включают систему интерферона, играя роль естественных индукторов [5, 6]. Каскад внутриклеточных событий, наблюдающийся после внедрения вирусов, обусловлен индукцией образования IFN и последующим разрушением вирусных информационных РНК, благодаря действию 2–5 олигоаденил синтетазы и активации эндонуклеазы (RNA азы L). Параллельно активированная протеинкиназа фосфорилирует ? субъединицу фактора e IF2, инициирующего трансляцию, который блокирует синтез вирусных белков. Все это приводит к подавлению репродукции широкого спектра ДНК и РНК содержащих вирусов за счет прямого внутриклеточного анти вирусного эффекта. Описанные события происходят в течение первых часов после проникновения вирусов в организм [3]. Интерфероны (в первую очередь имеются в виду IFN?/?, или так называемые интерфероны первого типа) обладают способностью активировать естественные киллеры (ЕК) и цитотоксические Т лимфоциты (ЦТЛ).
В результате на первом этапе вирусного инфицирования локально (в воротах инфекции) осуществляются три взаимосвязанных события:
2) удаление с помощью ЕК и ЦТЛ инфицированного материала;
3) защита вновь образованным интерфероном окружающих незараженных клеток от возможного заражения.
Важность этих эффектов трудно переоценить, если учесть многократное в течение жизни инфицирование практически каждого организма различными вирусными агентами. В простейших случаях, когда болезнь вообще не развивается, РЦР ограничиваются первым этапом. Накопленные данные свидетельствуют об универсально широком антивирусном спектре действия интерферонов и малой значимости при этом специфичности самих вирусов. В целом, первый этап РЦР реализуется местно на уровне инфицированных клеток, в результате чего предотвращается дальнейшая генерализация инфекции. Однако далеко не всегда исход может быть быстрым и благоприятным, и описанные эффекты IFN оказываются недостаточными для прекращения инфекционного процесса. Подобное имеет место при большой множественности заражения, сниженной сопротивляемости организма, дефектности систем IFN и иммунитета, неблагоприятной экологической обстановке, действии стрессов и пр. В результате развивается острое или хроническое инфекционное заболевание, сопровождающееся продукцией каскада ранних цитокинов (второй этап РЦР), активация CD4+ и CD8+ Т клеток с последующим развитием специфического, опосредованного Т и В клетками иммунитета. В этих случаях помимо интерферонов 1 го типа синтезируются такие ранние цитокины, как фактор некроза опухолей (TNF) и IFN?. Кроме того, образуются интерлейкины (IL) 1, 6, 10, 15 и 18, а также трансформирующий фактор роста (TGF). Отмечается вариабельность РЦР при различных вирусных инфекциях. Характерным для всех изученных вирусных инфекций является продукция IFN?/?, что можно считать ключевым доминантным признаком вирусного инфицирования. IFN?/? обладают рядом других эффектов, не связанных с противовирусной активностью: они вызы вают лейкопению, снижение дренажа в грудном потоке, лимфоаденопатию, а также миграцию клеток из красной пульпы селезенки в белую пульпу. Таким образом, происходит перераспределение клеток для последующих иммунорегуляторных эффектов. Наконец, IFN ?/? могут усилить специфический иммунный ответ в период первичной инфекции за счет привлечения популяции В и Т клеток в места воспаления для антигенной презентации [7]. РЦР могут зависеть от типа проникшего в организм вируса (табл. 1). Все вышеназванные цитокины продуцируются такими клетками неспецифической защиты, как моноциты/макрофаги, EK, полиморфноядерные лейкоциты и клетки различных органов и тканей. Очевидно, существует множество различных вариантов РЦР, имеющих характер неспецифических реакций на прогрессирование инфекционного процесса, которые в целом представляют собой важный механизм неспецифического иммунного ответа. К цитокинам с прямым антивирусным действием относятся IFN ?/? и TNF, продуцируемые ЕК клетками. TNF усиливает зависимую от IL12 продукцию IFN? [9].
В целом эффекторные механизмы второго этапа РЦР могут быть представлены следующим образом:
1.Продукция IFN?/?.
2.Активация ЕК и ЦТЛ клеток.
3.Продукция IFN? .
4.Перераспределение лимфоцитов.
5.Экспрессия генов IL1, TNF. 6.Активация продукции других цитокинов.
Все это вместе взятое составляет важный механизм активации врожденного (естественного) Таблица 1 Ранние цитокины, формирующиеся в ответ на вирусное инфицирование
иммунитета на вирусное заражение и принципиально отличается от реакции организма на действие патогенов невирусной природы. TNF и IFN?, продуцируемый ЕК, активируют приток макрофагов в очаг вирусной инфекции для участия в антивирусной защите [10]. Еще одним отличительным признаком РЦР на вирусную инфекцию следует считать регуляцию генов, отвечающих за продукцию IL12, прямо связанного с синтезом IFN? [11]. Все описанные выше события составляют второй, более сложный этап РЦР, наблюдающийся при прогрессировании вирусной инфекции и необходимый для прерывания инфекционного процесса или перехода к последующему Т клеточному иммунному ответу. Очевидно, в ряде случаев совокупность описанных реакций может оказаться достаточной для прерывания инфекционного процесса. При дальнейшем развитии второго этапа РЦР продолжается активация неспецифических компонентов иммунной системы, прежде всего таких, как экспрессия генов рецепторов цитокинов, перераспределение иммунокомпетентных клеток, увеличение цитолитической активности ЦТЛ и продукции IFN?, индукция пролиферации ЕК и CD8+ Тклеток памяти [14]. Последующие после РЦР этапы реакции организма на вирусное инфицирование связаны с развитием адаптивного (специфического) иммунного ответа. Они протекают по известным схемам опосредованных CD4+ хелперами клеточных реакций в одном из двух основных направлений: по типу Th1 с продукцией интерферонов и других про воспалительных цитокинов или по типу Th2 с продукцией IL4 и IL6. Эти механизмы хорошо изучены в отношении внеклеточных паразитов. Они могут иметь место и при вирусных инфекциях, хотя, как недавно показано, последние не вписываются в двойственную природу Т клеточного ответа. Действительно, до сих пор не получено однозначных данных о преимущественном развитии провоспалительного каскада Th1 типа в ответ на вирусную инфекцию (положительные результаты имеются лишь в отношении цитомегаловирусной инфекции [7, 13]). При многих вирусных инфекциях продукция IFN? Т клетками характеризуется определенным повышением уровня IL2. Участие клеток CD4+ и CD8+ в продукции IFN? при вирусных инфекциях может заметно различаться. CD8+ Т клетки часто составляют основную популяцию клеток, экспресссирующих IFN?. Это редко наблюдается при невирусных инфекциях, поэтому реакция организма на вирусы существенно отличается от реакции на другие патогены. Принципиально важен вопрос о значимости других цитокинов, кроме IFN?/?, в реализации неспецифического антивирусного ответа. Например, при ВИЧ инфекции Т клеточный ответ относится к типу Th с одновременной экспрессией Th1 и Th2 цитокинов. В ряде случаев отмечается явный дисбаланс в степени участия клеток CD4+ и CD8+. Не умножая этих примеров, отметим принципиальную возможность продукции неспецифических цитокинов при предпочтительном отборе и активации определенного Т клеточного ответа на вирус. Так или иначе, неспецифические цитокины (IL12 и IFN?), играя важную роль в активации CD4+ Т клеточного ответа, не являются обязательными для CD8+ Т клеточного ответа при некоторых вирусных инфекциях. Какие же цитокины могут быть отнесены к безусловно «смысловым» при вирусных инфекциях? Это прежде всего классические IFN?/?, которые не только обладают прямой противовирусной активностью, но и увеличивают количество CD4+, экспрессирующих ген IFN? [8], и являются основным иммунорегулятором CD8+ ответа на вирусную инфекцию [9]. Следует упомянуть также активацию интерферонами ?/? рецепторов цитокинов, индукцию экспрессии генов различных цитокинов, активацию ЕК [12].
Таким образом, во всех названных случаях участвуют десятки других цитокинов. Естественно, что подобный многофакторный ответ на вирусную инфекцию было бы идеально смоделировать лекарственными средствами, которые могли бы имитировать и предупреждать развитие инфекционного процесса, как в случае применения вакцин. Частично это достигается при использовании ряда известных антивирусных препаратов (химиопрепараты, интерфероны и их индукторы, различные иммуномодуляторы). В основе отбора новых антивирусных препаратов существенно выявление одного или нескольких механизмов из числа описанных выше. Проще всего это положение можно доказать на примере интерферонов или их индукторов, так как именно включение РЦР и активация ЕК и ЦТЛ клеток легко объясняет универсально широкий спектр антивирусной активности данных препаратов, которые, кроме того, обладают способностью активировать иммунный ответ. Следующая за этим экспрессия широкого спектра других цитокинов подготавливает специфическую стадию Т клеточного ответа. Однако здесь возникает, по крайней мере, два вопроса: 1. Если в ответ на применение препарата восстанавливается спектр цитокинов, подавляемый вирусами, является ли это объективным показателем эффективности препарата 2.В какой степени цитокиновый ответ на вирусную инфекцию отражает защитные потенции организма при конкретном заболевании Мы предположили, что антивирусное действие препаратов реализуется через механизм активации ими цитокинов, подавляемых при вирусном инфицировании. Правомочность такого предположения доказывается нашими данными [2] по действию отечественного индуктора интерферона— Циклоферона на репродукцию вируса гепатита С (ВГС) и экспрессию мРНК цитокинов в инфицированных клетках культуры МТ4 (перевиваемые лимфобластоидные клетки человека), представленными в табл. 2. Как видно, в неинфицированных клетках присутствуют м РНК всех исследованных цитокинов, кроме IL8. В инфицированных ВГС клетках ингибируется активность IFN?,IFN?, IL2,IL4 и IL6. Вместе с тем, в инфицированных клетках заметно (до 11,5 lg) нарастают титры вируса. Обработка инфицированных клеток Циклофероном приводит к восстановлению активности мРНК исследованных цитокинов; параллельно регистрируется выраженная ингибиция репродукции вируса. Отсюда следует, что антивирусное действие Циклоферона, повидимому, реализуется через механизм активации этим препаратом цитокинов, подавляемых при вирусном инфицировании. Приведенный пример показывает, что сравнительное изучение влияния вирусов и антивирусных препаратов на активность цитокинов может быть полезным для понимания антивирусной эффективности препаратов. Иными словами, обнаружение у препаратов способности «запрещать выключение» цитокинов при вирусных инфекциях могло бы стать удобным методом для отбора новых антивирусных препаратов. Дополнительным доказательством правомочности такого вывода служат наши опыты по регуляции активности цитокинов такими известными антивирусными препаратами, как интерфероны и их индукторы (табл. 3). Из представленных данных видны различия в цитокиновом ответе (индукция или подавление) на каждый использованный
Таблица 2 Влияние Циклоферона на активность м РНК цитокинов в культуре клеток МТ%4, инфицированной цитопатогенным вариантом ВГС
Примечание. Ц — Циклоферон, ВГС — вирус гепатита С.
Таблица 3 Антивирусная активность и регуляция активности цитокинов интерфероном и его индукторами
препарат, которые могут отражать различия в их антивирусном действии. Подобный подход также может быть перспективным при отборе новых антивирусных средств. Таким образом, на первый вопрос можно дать положительный ответ. По видимому, существует прямая связь между цитокиновым ответом и репродукцией вируса. Применение антивирусных препаратов может предотвратить и/или восстановить вызываемые вирусами нарушения в цитокиновой сети. Для ответа на второй вопрос требуются дополнительные наблюдения. Как следует из табл. 3, интерферон и его индукторы—Кагоцел и Циклоферон,—широко применяемые в медицинской практике при ряде вирусных инфекций, обладают способностью регулировать активность цитокинов [1, 4]. В зависимости от типа использованных клеток и изучаемого препарата наблюдается индукция или супрессия цитокиновых мРНК, что может отражать различия в их антивирусном действии. Кроме того, обнаруженные различия открывают перспективу регуляции активности различных цитокинов путем индукции /супрессии цитокиновых сигналов, направленных на предотвращение инфекции или преодоление иммунодефицитного состояния. Из сказанного следует, что интерфероны и их индукторы являются регуляторами активности цитокинов и могут быть использованы в исследованиях по изучению механизмов противовирусной активности и ингибиции опухолевого роста. В целом можно заключить, что РЦР при вирусных инфекциях заметно отличаются от цитокинового ответа на другие (невирусные) патогены. По видимому, РЦР непосредственно связаны с противовирусными эффектами цитокинов. Они могут быть реализованы местно на уровне инфицированных клеток (первый этап РЦР) и/или активировать неспецифический клеточный иммунитет (второй этап РЦР). Конечным этапом РЦР является индукция специфического иммунного ответа.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вершинина М.Ю., Наровлянский А.Н., Дерябин П.Г. и др. Регуляция активности м РНК цитокинов интерфероном и его индукторами // Rus. J. Immunol. — 2002. — № 2. — P. 161–166.
2. Вершинина М.Ю. Клеточная чувствительность к интерферону и активность цитокинов при инфекции, вызванной вирусом гепатита C: Дис. канд. мед. наук. — М., 2002.
3. Ершов Ф.И. Система интерферона в норме и при патологии. — М.: Медици) на, 1996. — 240 с.
4. Ершов Ф.И. Антивирусные препараты. — М.: Медицина, 1998. — 186 с.
5. Ершов Ф.И., Новохатский А.С. Интерферон и его индукторы. — М.: Медицина, 1980. — 176 c.
7. Biron C. Role of early cytokines including alpha and beta interferons (IFN?/?) in innate and adoptive immune responses // Semin. Immunol. — 1998. — Vol. 10. — P. 383–390.
8. Brinkmann V., Geiger T., Alkan S., Heusser C.H. Interferon alpha increases the frequency of interferon gamma)producing human CD4+ T cells // J. Exp. Med. — 1993. — Vol. 178. — P. 1655–1663.
9. Chan S.H., Perussia B., Gupta J.W. et al. Induction of interferon gamma pro) duction by natural killer cell stimulatory factors: Characterization of the re) sponder cells and synergy with other inducers // J. Exp. Med. — 1991. — Vol. 173. — P. 819–879.
10. Heise M.T., Virgin I.V. The T cell independent role of gamma interferon and tumor necrosis factor alpha in macrophage activation during murine cytomegalovirus and herpes simplex infections // J. Virol. — 1995. — Vol. 69. — P. 904–909.
11.Orange J.S., Biron C.A. An absolute and restricted requirement for IL12 in natural killer cells IFN)? production and antiviral defense. Studies of nat) ural killer and T cell responses in contrasting viral infections // J. Immunol. — 1996. — Vol. 156. — P. 1138–1142.
12. Orange J.S., Biron C.A. Characterization of early IL12, IFN)?/? and TNF effects on antiviral state and NK cell responses during murine cytomegalovirus infec) tion // J. Immunol. — 1996. — Vol. 156. — P. 4746–4756.
13. Ruzek M.C., Miller A.H., Opal S.M. et al. Characterization of early cytokine responses and an interleukin (IL6) dependent pathway of endogenous glu) cocorticoid induction during murine cytomegalovirus infections // J. Exp. Med. — 1997. — Vol. 185. — P. 1185–1192.
14. Su H.C., Cousens L.P., Fast L.D. et al. CD4+ T cell interactions in IFN? and IL4 re) sponses to viral infections // J. Immunol. — 1998. — Vol. 160. — P. 5007–5017.
Early cytokine responses in viral infections F.I. Yershov, A.N. Narovlyansky, M.V. Mezentseva N.F. Gamaleya Institute of Epidemiology and Microbiology, Russian Academy of Medical Sciences, Moscow
In the review, a concept of the role of early cytokine responses (ECR) during viral infections is presented. It is emphasized that the ECR to viral infections notably differs from responses to other (non%viral) pathogens. The data reported here suggest that studying of ECR can be useful in selection of new anti%virus drugs.(Cytokines and Inflammation. 2004. Vol. 3, № 1. P. 3–6.) Key words: interferons, cytokines, immunity, viral infections.
