Статья на конкурс «био/мол/текст»: Иммунная система - это мощная многослойная защита нашего организма, которая потрясающе эффективна против вирусов, бактерий, грибов и других патогенов извне. Кроме того, иммунитет способен эффективно распознавать и уничтожать трансформированные собственные клетки, которые могут перерождаться в злокачественные опухоли. Однако сбои в работе иммунной системы (по генетическим либо другим причинам) приводят к тому, что однажды злокачественные клетки берут верх. Разросшаяся опухоль становится нечувствительной к атакам организма и не только успешно избегает уничтожения, но и активно «перепрограммирует» защитные клетки для обеспечения собственных нужд. Поняв механизмы, которые опухоль использует для подавления иммунного ответа, мы сможем разработать контрмеры и попытаться сдвинуть баланс в сторону активации собственных защитных сил организма для борьбы с болезнью.

Эта статья представлена на конкурс научно-популярных работ «био/мол/текст»-2014 в номинации «Лучший обзор».

Главный спонсор конкурса - дальновидная компания Генотек .
Конкурс поддержан ОАО «РВК» .

Опухоль и иммунитет - драматический диалог в трех частях с прологом

Долгое время считалось, что причина низкой эффективности иммунного ответа при раке - то, что опухолевые клетки слишком похожи на нормальные, здоровые, чтобы иммунная система, настроенная на поиск «чужаков», могла их как следует распознавать. Этим как раз и объясняется тот факт, что иммунная система успешнее всего противостоит опухолям вирусной природы (их частота резко возрастает у людей, страдающих иммунодефицитом). Однако позже стало ясно, что это не единственная причина.

Если в этой статье речь идет про иммунные аспекты рака, то в работе «Страшней клешней на свете нет... » можно прочесть про особенности ракового метаболизма. - Ред.

Оказалось, что взаимодействие раковых клеток с иммунной системой носит гораздо более разносторонний характер. Опухоль не просто «прячется» от атак, она умеет активно подавлять местный иммунный ответ и перепрограммировать иммунные клетки, заставляя их обслуживать собственные злокачественные нужды.

«Диалог» между переродившейся, вышедшей из-под контроля клеткой с ее потомством (то есть будущей опухолью) и организмом развивается в несколько стадий, и если вначале инициатива почти всецело находится на стороне защитных сил организма, то в конце (в случае развития болезни) - переходит на сторону опухоли. Несколько лет назад учеными-онкоиммунологами была сформулирована концепция «иммуноредактирования» (immunoediting ), описывающая основные этапы этого процесса (рис. 1) .

Рисунок 1. Иммуноредактирование (immunoediting ) в процессе развития злокачественной опухоли.

Первая стадия иммуноредактирования - процесс устранения (elimination ). Под действием внешних канцерогенных факторов или в результате мутаций нормальная клетка «трансформируется» - приобретает способность неограниченно делиться и не отвечать на регуляторные сигналы организма. Но при этом она, как правило, начинает синтезировать на своей поверхности особые «опухолевые антигены» и «сигналы опасности». Эти сигналы привлекают клетки иммунной системы, прежде всего макрофаги , натуральные киллеры и Т-клетки . В большинстве случаев они успешно уничтожают «испортившиеся» клетки, прерывая развитие опухоли. Однако иногда среди таких «предраковых» клеток оказывается несколько таких, у которых иммунореактивность - способность вызывать иммунный ответ - по каким-то причинам оказывается ослабленной, они синтезируют меньше опухолевых антигенов, хуже распознаются иммунной системой и, пережив первую волну иммунного ответа, продолжают делиться.

В этом случае взаимодействие опухоли с организмом выходит на вторую стадию, стадию равновесия (equilibrium ). Здесь иммунная система уже не может полностью уничтожить опухоль, но еще в состоянии эффективно ограничивать ее рост. В таком «равновесном» (и не обнаруживаемом обычными методами диагностики) состоянии микроопухоли могут существовать в организме годами. Однако такие затаившиеся опухоли не статичны - свойства составляющих их клеток постепенно меняются под действием мутаций и последующего отбора: преимущество среди делящихся опухолевых клеток получают такие, которые способны лучше противостоять иммунной системе, и в конце концов в опухоли появляются клетки-иммуносупрессоры . Они в состоянии не только пассивно избегать уничтожения, но и активно подавлять иммунный ответ. По сути, это эволюционный процесс, в котором организм невольно «выводит» именно тот вид рака, который его убьет.

Этот драматический момент знаменует собой переход опухоли к третьей стадии развития - избегания (escape ), - на которой опухоль уже малочувствительна к активности клеток иммунной системы, более того - обращает их активность себе на пользу. Она принимается расти и метастазировать. Именно такая опухоль обычно диагностируется медиками и изучается учеными - две предыдущие стадии протекают скрыто, и наши представления о них основаны главным образом на интерпретации целого ряда косвенных данных.

Дуализм иммунного ответа и его значение в канцерогенезе

Существует множество научных статей, описывающих, как иммунная система борется с опухолевыми клетками, но не меньшее количество публикаций демонстрирует, что присутствие клеток иммунной системы в ближайшем опухолевом окружении является негативным фактором, коррелирующим с ускоренным ростом и метастазированием рака , . В рамках концепции иммуноредактирования, описывающей, как изменяется характер иммунного ответа по мере развития опухоли, подобное двойственное поведение наших защитников получило, наконец, свое объяснение.

Мы рассмотрим некоторые механизмы того, как это происходит, на примере макрофагов. Похожие приемы опухоль использует и для того, чтобы обманывать другие клетки врожденного и приобретенного иммунитета.

Макрофаги - «клетки-воины» и «клетки-целители»

Макрофаги, пожалуй, самые знаменитые клетки врожденного иммунитета - именно с изучения их способностей к фагоцитозу Мечниковым и началась классическая клеточная иммунология. В организме млекопитающих макрофаги - боевой авангард: первыми обнаруживая врага, они не только пытаются уничтожить его собственными силами, но также привлекают к месту сражения другие клетки иммунной системы, активируя их. А после уничтожения чужеродных агентов принимаются активно участвовать в ликвидации причиненных повреждений, вырабатывая факторы, способствующие заживлению ран. Эту двойственную природу макрофагов опухоли используют себе на пользу.

В зависимости от преобладающей активности различают две группы макрофагов: М1 и М2. М1-макрофаги (их еще называют классически активированными макрофагами) - «воины» - отвечают за уничтожение чужеродных агентов (в том числе и опухолевых клеток), как напрямую, так и за счет привлечения и активации других клеток иммунной системы (например, Т-киллеров). М2 макрофаги - «целители» - ускоряют регенерацию тканей и обеспечивают заживление ран , .

Присутствие в опухоли большого количества М1-макрофагов тормозит ее рост , а в некоторых случаях может вызвать даже практически полную ремиссию (уничтожение). И наоборот: М2-макрофаги выделяют молекулы - факторы роста, которые дополнительно стимулируют деление опухолевых клеток, то есть благоприятствуют развитию злокачественного образования. Экспериментально было показано, что в опухолевом окружении обычно преобладают именно М2-клетки («целители»). Хуже того: под действием веществ, выделяемых опухолевыми клетками, активные М1-макрофаги «перепрограммируются» в М2-тип , перестают синтезировать антиопухолевые цитокины, такие как интерлейкин-12 (IL12) или фактор некроза опухолей (TNF) и начинают выделять в окружающую среду молекулы, ускоряющие рост опухоли и прорастание кровеносных сосудов, которые будут обеспечивать ее питание, например фактор роста опухолей (TGFb) и фактор роста сосудов (VGF). Они перестают привлекать и инициировать другие клетки иммунной системы и начинают блокировать местный (противоопухолевый) иммунный ответ (рис. 2).

Рисунок 2. М1- и М2-макрофаги: их взаимодействие с опухолью и другими клетками иммунной системы.

Ключевую роль в этом перепрограммировании играют белки семейства NF-kB . Эти белки являются транскрипционными факторами, контролирующими активность множества генов, необходимых для М1 активации макрофагов. Наиболее важные представители этого семейства - р65 и р50, вместе образующие гетеродимер р65/р50, который в макрофагах активирует множество генов, связанных с острым воспалительным ответом, таких как TNF, многие интерлейкины, хемокины и цитокины. Экспрессия этих генов привлекает все новые и новые иммунные клетки, «подсвечивая» для них район воспаления. В то же время другой гомодимер семейства NF-kB - р50/р50 - обладает противоположной активностью: связываясь с теми же самыми промоторами, он блокирует их экспрессию, снижая градус воспаления.

И та, и другая активность NF-kB транскрипционных факторов очень важна, но еще важнее равновесие между ними. Было показано, что опухоли целенаправленно выделяют вещества, которые нарушают синтез p65 белка в макрофагах и стимулируют накопление ингибиторного комплекса р50/р50 . Таким способом (помимо еще ряда других) опухоль превращает агрессивных М1-макрофагов в невольных пособников своего собственного развития: М2-тип макрофагов, воспринимая опухоль как поврежденный участок ткани, включают программу восстановления, однако секретируемые ими факторы роста только добавляют ресурсы для роста опухоли. На этом цикл замыкается - растущая опухоль привлекает новые макрофаги, которые перепрограммируются и стимулируют ее рост вместо уничтожения.

Реактивация иммунного ответа - актуальное направление антираковой терапии

Таким образом, в ближайшем окружении опухолей присутствует сложная смесь молекул: как активирующих, так и ингибирующих иммунный ответ. Перспективы развития опухоли (а значит, перспективы выживания организма) зависят от баланса ингредиентов этого «коктейля». Если будут преобладать иммуноактиваторы - значит, опухоль не справилась с задачей и будет уничтожена или ее рост сильно затормозится. Если же преобладают иммуносупрессорные молекулы - это значит, что опухоль смогла подобрать ключ и начнет быстро прогрессировать. Понимая механизмы, которые позволяют опухолям подавлять наш иммунитет, мы сможем разработать контрмеры и сдвинуть баланс в сторону уничтожения опухолей .

Как показывают эксперименты, «перепрограммирование» макрофагов (и других клеток иммунной системы) обратимо. Поэтому одним из перспективных направлений онко-иммунологии на сегодняшний день является идея «реактивации» собственных клеток иммунной системы пациента с целью усиления эффективности других методов лечения. Для некоторых разновидностей опухолей (например, меланом) это позволяет добиться впечатляющих результатов. Другой пример, обнаруженный группой Меджитова , - обычный лактат, молекула, которая производится при недостатке кислорода в быстрорастущих опухолях за счет эффекта Варбурга . Эта простая молекула стимулирует перепрограммирование макрофагов, заставляя их поддерживать рост опухоли. Лактат транспортируется внутрь макрофагов через мембранные каналы, и потенциальная терапия заключается в блокировке этих каналов.

Наш организм окружает огромное количество негативных и повреждающих факторов внешней среды: ионизирующее и магнитное излучение, резкие колебания температуры, различные патогенные бактерии и вирусы. Чтобы противостоять их отрицательному влиянию и поддерживать гомеостаз на постоянном уровне, в биокомпьютер человеческого организма встроен мощный защитный комплекс. Он объединяет такие органы, как тимус, селезенка, печень и лимфатические узлы. В данной статье мы изучим функции макрофагов, входящих в мононуклеарную фагоцитарную систему, а также выясним их роль в формировании иммунного статуса организма человека.

Общая характеристика

Макрофаги - "большие пожиратели", так переводится название этих защитных клеток, предложенное И.И.Мечниковым. Они способны к амебоидному движению, быстрому захвату и расщеплению болезнетворных бактерий и продуктов их метаболизма. Эти свойства объясняются наличием в цитоплазме мощного лизосомного аппарата, ферменты которого легко разрушают сложные оболочки бактерий. Гистиоциты быстро распознают антигены и передают информацию о них лимфоцитам.

Характеристика макрофагов как клеток, вырабатываемых органами иммунной системы, свидетельствует о том, что их можно обнаружить во всех жизненно важных структурах тела: в почках, в сердце и легких, в кровяном и лимфатическом русле. Они имеют онкопротекторные и сигнальные свойства. На мембране располагаются рецепторы, узнающие антигены, сигнал о которых передается на активные лимфоциты, вырабатывающие интерлейкины.

В настоящее время гистологи и иммунологи считают, что макрофаги - это клетки, образованные из мультипотентных стволовых структур красного костного мозга. Они разнородны по строению и функциям, различаются местом нахождения в организме, степенью созревания и активностью по отношению к антигенам. Рассмотрим их далее.

Виды защитных клеток

Наибольшую группу представляют фагоциты, циркулирующие в соединительных тканях: лимфе, крови, остеокластах и оболочках внутренних органов. В серозных полостях желудка и кишечника, в плевре и легочных пузырьках есть как свободные, так и фиксированные макрофаги. Это обеспечивает защиту и детоксикацию как самих клеток, так и их кровоснабжающих элементов - капилляров легочных альвеол, тонкого и толстого кишечника, а также пищеварительных желез. Печень как один из наиболее значимых органов имеет дополнительную протекторную систему мононуклеарных фагоцитарных структур - купферовские клетки. Остановимся на их строении и механизме действия детальнее.

Как защищена главная биохимическая лаборатория организма

В большом круге кровообращения существует автономная система кровоснабжения печени, называемая кругом воротной вены. Благодаря ее функционированию, от всех органов брюшной полости кровь сразу поступает не в нижнюю полую вену, а в отдельный кровеносный сосуд - воротную вену. Далее она направляет насыщенную углекислотой и продуктами распада венозную кровь в печень, где гепатоциты и защитные клетки, образованные периферическими органами иммунной системы, расщепляют, переваривают и нейтрализуют токсические вещества и болезнетворные микроорганизмы, попавшие в венозную кровь из желудочно-кишечного тракта. Защитные клетки обладают хемотаксисом, поэтому скапливаются в очагах воспаления и фагоцитируют патогенные соединения, попавшие в печень. Теперь рассмотрим купферовские клетки, которые играют в защите пищеварительной железы особую роль.

Фагоцитарные свойства ретикуло-эндотелиальной системы

Функции макрофагов печени - купферовских клеток - заключаются в захвате и переработке потерявших свои функции гепатоцитов. При этом расщепляются как белковая часть пигмента крови, так и сам гем. Это сопровождается выделением ионов железа и билирубина. Одновременно происходит лизис бактерий, прежде всего кишечной палочки, попавших в кровь из толстого кишечника. Защитные клетки контактируют с микробами в синусоидных капиллярах печени, затем захватывают патогенные частицы и переваривают с помощью собственного лизосомного аппарата.

Сигнальная функция фагоцитов

Макрофаги - это не только защитные структуры, обеспечивающие клеточный иммунитет. Они могут идентифицировать чужеродные частицы, попавшие в клетки организма, т. к. на мембране фагоцита есть рецепторы, которые узнают молекулы антигенов или биологически активных веществ. Большинство этих соединений не может напрямую контактировать с лимфоцитами и запускать ответную защитную реакцию. Именно фагоциты поставляют на мембрану антигенные группы, которые служат маяками для В-лимфоцитов и Т-лимфоцитов. Клетки-макрофаги, очевидно, выполняют важнейшую функцию передачи сигнала о присутствии повреждающего агента на самые активные и быстро действующие иммунные комплексы. Те, в свою очередь, способны молниеносно реагировать на патогенные частицы в организме человека и уничтожать их.

Специфические свойства

Функции элементов иммунной системы не ограничиваются только защитой организма от чужеродных компонентов окружающей среды. Например, фагоциты способны к осуществлению обмена ионов железа в красном костном мозге и селезенке. Участвуя в эритрофагоцитозе, защитные клетки переваривают и расщепляют старые эритроциты. Альвеолярные макрофаги накапливают ионы железа в виде молекул ферритина и гемосидерина. Их можно обнаружить в мокроте больных, страдающих сердечной недостаточностью с застоем крови в малом круге кровообращения и различными формами порока сердца, также у пациентов, перенесших инфаркт, отягощенный тромбоэмболией легочной артерии. Присутствие большого количества иммунных клеток в различных видах клинических исследований, например в мазках из влагалища, в моче или сперме, может свидетельствовать о воспалительных процессах, инфекционных или онкологических заболеваниях, протекающих у человека.

Периферические органы иммунной системы

Учитывая важнейшую роль фагоцитов, лейкоцитов и лимфоцитов в сохранении здоровья и генетической уникальности организма, в результате эволюции были созданы и усовершенствованы две линии защиты: центральные и периферические органы иммунной системы. Они вырабатывают различные виды клеток, участвующих в борьбе с чужеродными и патогенными агентами.

Это прежде всего Т-лимфоциты, В-лимфоциты и фагоциты. Селезенка, лимфатические узлы и фолликулы пищеварительного тракта также способны образовывать макрофаги. Это обеспечивает возможность тканям и органам человеческого организма быстро распознавать антигены и мобилизовать факторы гуморального и клеточного иммунитета для эффективной борьбы с инфекцией.

В настоящее время сформировано представление об основных клеточных элементах иммунной системы. Наряду с ее главными структурными еди­ницами (Т-, В-лимфоцитами, МК) большое значение имеют вспомогательные клетки. Эти клетки отличаются от лимфоцитов как по морфологическим, так и по функциональным свойствам. По классификации ВОЗ (1972) эти клетки объединены в мононуклеарную фагоцитарную систему. В нее входят клетки костномозгового происхождения, обладающие подвижностью (хемотаксис), способ­ные активно фагоцитировать и прилипать к стеклу. Подвижность, фагоци­тоз, адгезия.

Мон/мф образуют МФС, включающую циркулирующие моноциты и макрофаги, локализующиеся в различных тканях. Морфология: компактное ядро округлой формы (в отличие от гранулоцитарных фагоцитов, имеющих полиморфноядерную структуру). Клетки содержат ряд ферментов типа кислы: гидролаз, пероксидазы и др, находящихся в лизосомах, с которыми связана функция внутриклеточного разрушения фагоцитарных микроорганизмов Наличие в ЦК фермента неспецифической эстеразы является признаком, отличающим мон/мф клетки от лимфоцитов. По размерам они крупнее лф (в диаметре - 10-18 мкм). У человека моноциты составляют 5-10% среди лейкоцитов периферической крови.

Фагоциты представлены:

макрофаги (циркулирующие моноциты крови и макрофаги тканей) – монононуклеарные

микрофаги (нейтрофилы,базофилы,эозинофилы)- полиморфноядерные фагоциты

Основными биологическими функциями макрофагов являются: фагоцитоз (поглощение и переваривание чужеродных корпускулярных частиц); секреция биологически активных веществ; презентация (подача, представление) антигенного материала Т - и В-лимфоцтам; а также участие в индукции воспаления, в цитотоксическом противоопухолевом иммунитете, в процессах регенерации и инволюции, в межклеточных взаимодействиях, в гуморальном и клеточном иммунитете.

Макрофаги из костного мозга поступают в кровь - моноциты, которые остаются в циркуляции около суток, а затем мигрируют в ткани, образуя тканевые макрофаги. Фагоцитарная способность тканевых макрофагов связана с функцией данного органы или ткани. Так, альвеолярные макрофаги активно фагоцитируют, свободь располагаясь в полости альвеол; лизотелиальные клетки - фагоцитируют лишь при раздражения серозных полостей, клетки РЭС тимуса фагоцитируют только лимфоциты, остеокласты - только элементы костной ткани и т.д. К МФС относятся многоядерные гигантские клетки, которые образуются в результате слияния мононуклеарных фагоцитов. Эти клетки обычно обнаруживают в очагах воспаления. Подобно фагоцитам они могут фагоцитировать эритроциты, поглощать и убивать микроорганизмы, продуцировать в результате дыхательного взрыва 02-, экспрессировать мембранную la-молекулу, вырабатывать гидролитические ферменты. Уровень многоядерных гигантских клеток изменяется при различных патологических состояниях, в частности, у больных СПИДом, число их значительно возрастает в ЦНС.

Процесс трансформации моноцитов в макрофаги сопровождается морфологическими, биохимическими и функциональными изменениями. Они увеличиваются в размерах, усложняется организация внутриклеточных органелл; увеличивается количество лизосомальных ферментов. Как и нейтрофилы, макрофаги не возвращаются в циркуляцию, а элиминируются через слизистые оболочки кишок, верхние дыхательные пути

Онтогенез мононуклеарных фагоцитов

ФРМ(ф-р роста макрофагов)