CC BY
30
УДК 612.112.91:616-053.2
Маслянко Р. П., д.б.н., професор; Левкчвськнй Д.М., к.вет.н., доцент; БожикЛ.Я., к.вет.н., ст. викладач; Левкчвська Н.Д., к.вет.н., доцент © Лъв\всъкий нацюналънийутеерситет ветеринарногмедицини та бютехнологт ¡мет С. 3. Гжицъкого
РОЛЬ ФАГОЦИТОЗУ В СИСТЕМ1 ПРОТИ1НФЕКЦ1ЙНОГО ЗАХИСТУ МАКРООРГАН13МУ
У робот1 представлено сучасш дат про роль кисенъ залежных мехашзм1в захисту макрооргатзму, ят здшснюютъся фагоцитуючими клтинам. Детально описано шляхи утворення реактивних метаболт1е кисню в клтинах / ферментш системи, що берутъ участь в гх напрацюванш. Охарактеризовано бактерицидш властивост1 реактивних метаболт1в кисню та визначена гх роль як фгзгологгчних мед1атор1в при запалъних процесах. Вгдмгченг р1зниц1 в реал1зацп бактерицидног активност1 неитрофмъних гранулоцит1в г макрофаг1в. Проанал1зовано дат про роль фагоцит1в у кооперацп з тшими клтинами при гнфекцгях г наведено докази про здатшстъ цих клтин до синтезу та видыення низъкомолекулярних бюлог\чно активних речовин.
Ключое1 слова: неитрофыъш гранулоцити, макрофаги, бактерицидна актившстъ, реактивш метаболти кисню.
Вщкриття фагоцитозу як неспециф1чного фактору протшнфекцшного захисту людини { тварин належить нашому сшвв1тчизнику 1.1. Мечшкову, за що вш у 1908 р. отримав Нобел1вську премш. Гешальшсть 1.1. Мечшкова полягае в тому, що вш вщкрив не лише прям1 бактерицидш властивост1 цих кл1тин, але й також припустив шш1 можлив1 1х функци, як наприклад, «передача ¿муштету -за допомогою бших корпускул через продукцш ними «секретишв» (цитокмв у сучасному розумшш). Нейтрофшьш гранулоцити належать до короткоживучих кл1тин, але 1м выводиться надзвичайно важлива роль у знищенш позакл1тинних патогешв {1х токсишв, тод1 як шша група фагоцит1в - макрофаги - належать до довгоживучих кл1тин. У додаток до бактерицидно! активное^ фагоцити здатш здшенювати ряд шших важливих функцш, таких як обмеження росту обл1гатних внутр1шньокл1тинних патогешв, продукщя багатьох бюлопчно активних молекул, потр1бних для регуляцп р1зних функцш кл1тин (компоненти комплементу, простагландини та цитоюни), видалення дефектних кл1тин { ш. [5, 6].
Сьогодш вважаеться загальновизнаним те, що нейтрофши \ макрофаги беруть участь у захист1 оргашзму за допомогою щентичного багатоступеневого процесу [19]. Первинна ¿мунна вщповщь на введения будь-якого патогену в
© Маслянко Р. П., Левшвський Д.М., Божик Л.Я., Левшвська Н.Д., 2013
210
оргашзм здшснюеться резистентними макрофагами, яю продукують фактори запалення. Поряд з речовинами, що видшяються патогенними агентами, вони здшснюють хемотаксичний град1ент. В свою чергу, нейтрофши вщповщають на м1жкл1тинш сигнали проходять через еттелш, при цьому ïx слабка адгез1я опосередкована лектинопод1бними молекулами - селектинами. U,i фагоцити вже активоваш для адгези до ендотелш шляхом власних мембранних штегришв i здатш розшзнати спещальними рецепторами - серпентинами -специф1чш хемоатрактанти. Одночасно з цим вщбуваеться змша форми кл1тини за допомогою перегрупування актинового цитоскелета.
За сучасними даними [3, 4], вщомо два ч1тко вщмшних функцюнальних стани фагоциив: вихщний, так званий «redox», з низьким р1внем nepeôiry процеав, i активований, перехщ до якого зумовлений взаемод1ею кл1тин з р1зними стимуляторами. При цьому, в процес1 попередньо! ди стимул1в, в тому числ1 бактерш, посиленш Mirpauiï, адгези, дегрануляци та метабол1зму [23]. Це явище, починаючи з 1980 р., стосовно фагоцит1в отримало назву праймшгу (priming), тобто пщготовки, переведения кл1тин у робочий стан. Таким чином, нейтрофши, досягнувши мюць запалення, здатш розшзнати патоген або через мембранш рецептори для опсошшв (фактори комплементу C3b та iC3b, а також Fc компонент ¿муноглобулш1в), або через лектини м1кроб1в i фагоцит1в (опсонш-незалежний фагоцитоз). Пот1м починаеться процес фагоцитозу, який здшснюеться за допомогою мехашзму, що д1е як замок-блискавка (з англ. zipper - тобто послщовного розшзнання патогешв псевдопод1ями фагоцитш), вщбуваеться захоплення, поглинання м1кроб1в за допомогою швагшаци плазматично! мембрани кл1тин i утворення фагоцитарно! вакуол1 [26]. При цьому активуються дв1 функцп фагоцитав: викидання вмкту гранул у фагосому та кисневий вибух.
Феномен кисневого вибуху вперше описаний у 1933 p. C. Baldridge i R. Gérard, його суть полягае в тому, що фагоцити р1зко збшьшують споживання кисню - вщ 50 до 100 раз1в. Цей процес вщбуваеться при стимуляци комплексу НАДФ-оксидази, вщомо1 також як фагоцитарна оксидаза. Субклшчна локал1защя цього комплексу добре вивчена в нейтрофшьних гранулоцитах i його присутшсть вщм1чаеться також на мембранах азурофшьних гранул. У макрофагах цей комплекс виявляеться лише на плазматичнш мембраш, оскшьки складов! цього комплексу не виявлено на мембранах гранул макрофапв. За даними окремих автор1в [17], припускаеться, що щ кл1тини не здатш продукувати реактивш види кисню внутр1шньофагоцитарно.
На послщовних реакщях утворення реактивних метаболтв кисню слщ зупинитися окремо, тому що в останш роки було виявлено та описано hobî складов! НДФ-оксидазного комплексу. На першому еташ для утворення i3 молекули кисню супер оксидного анюну О 2 - донором електрошв е НАДФ-оксидазний комплекс. У 1959 p. A. Sbarra i M. Karnovsky [25] було встановлено, що цей комплекс включае 4 бшкових компоненти, молекулярш маси котрих увшшли в ïx назви - p40PHOX (PHOX розшифровуеться як Phagocyte OXydase -фагоцитарна оксидаза), вщповщно, описано p47PHOX, p67PHOX, p22PHOX i
211
глюкопротещ gp91PHOX. У кл1 тинах в сташ спокою «redox» у трьох ¿з цих компонента знаходиться в цитозол1 у вигляд1 комплексу, а у шших локал1зоваш на плазматичнш мембраш. Розподш цих двох груп компонента за i'x локал1защею гарантуе шактивацш оксидаз в «redox» фагоцитах [7]. При стимуляци кл1тин цитозольний компонент р47рнох фосфорилюеться i виступае як адаптер зв'язку компонента р67рнох з цитохромом b558, а в свою чергу фосфорилювання р40рнох викликае конф1рмацшш змши р67рнох для повноцшного зв'язку з цитохромом [14]. Таким чином, з1браний НАДФ-оксидазний комплекс здатний до передач! електрошв вщ субстрату до кисню за допомогою власних електрон-несучих протезних груп - флавмв, перетворюючись на вщновлений НАДФ-комплекс.
У л1тератур1 вщм1чаються pi3Hi шляхи регуляцп НАДФ-оксидази нейтрофшв залежно вщ того, де вона локал1зована: на плазматичнш мембран! чи на мембраш гранул [16].
Продукт вщновлення НАДФ-оксидазного комплексу супероксидний радикал - 02- е початковим матер1алом для продукцп широкого ряду реактивних оксидант1в, уключаючи окисн1 галогени, вшьш радикали та синглетний кисень. U,i окислювач1 використовуються для поглинених м1кроб1в, але вони також викликають виражене руйнування оточуючих тканин, тому ix формування повинно бути в1дрегульованим.
Другим етапом е перетворення супероксидного анюну 02- у наступний потужний компонент перекис водню (Н202) може в1дбутися спонтанно або катал1зуватися супероксид-дисмутазою [1]. Н202 сама по co6i не е бактерицидною, але при високш концентрац1! може проявитися захисний ефект. Таким чином, як екзогенно утворений супероксид, так i Н202 не здатн1 безпосередньо вбивати мжроби [18]. Б1льш вираженими за бактерицидною д1ею е iHmi реактивн! метаболии кисню, утворен1 з перекису водню. У фагоцитах е чотири потенцшш механ1зми перетворення Н202. Перший шлях здшснюеться за допомогою реакцп Фентона, вперше описана в 1894 р., за участю сульфату зал1за. li' результатом е г1дроксильний радикал -ОН. При подальшому досл1дженн1 в 1934 р. Хабер i Вейс виявили, що утворення г1дроксильного радикалу в обмеженш концентрац1! двовалентних ioHiB зал1за, як у випадку з бюлопчними р1динами (цитозоль фагоцит1в) до перетворення тривалентного зал1за у двовалентне, може пщключатися супеоксидний ан1он. Ця реакщя названа реакц1ею Хабер-Вейса.
Г1дроксильн1 радикали виявляють пошкоджуючи д1ю на бактери [13]. Вони здатн1, д1ючи на SH-групи, г1стидинов1 та iHmi амшокислотш складов! 61лк1в, викликати i'x денатурацш, таким чином, дезактивуючи ферменти. В окремих досл1дах [17] виявлено, що гщроксильш радикали, вироблен1 системами, що включають хлориди, найб1льш токсичн1 для бактерш.
Синглетний кисень (102) також продукуеться нейтрофщьними гранулоцитами при взаемоди г1дроксильного радикалу з H0C1. Хоча спочатку припускали, що цей реактивний вид кисню був джерелом хемшюмшесценци стимульованих кл1тин, подальш1 досл1дження методом специф1чного
212
шфрачервоного випромшювання не виявили продукцп синглетного кисню нейтрофшами [21].
Недавно був названий ще один реактивний метабол1т кисню - продукт ресшраторного вибуху в нейтрофшах озон (03) [8]. Його утворення було встановлено поряд з виникненням синглетного кисню за безпосередньо! участ1 з м1елопероксидазно-Н202-хлоридно! систем. Озон сам по co6i е бактерицидним, але в комбшаци з Н202 вш ще бшьше токсичний для м1крооргашзм1в.
В даний час активно дослщжуеться ще один метабол1т - оксид азоту (NO). BiH е вшьним радикалом (газовою молекулою), який продукуетсья ¿з молекулярного кисню та гуаншового штрогену L- аргшшу, з1браного в L-цитрулм [22]. Було встановлено, що NO включаеться в неспециф1чнй ¿муштет i часткового до комплексного мехашзму тканинного походження як важливий мед1атор запальних процеЫв i апоптозу. При цьому цитотоксичш/цитопатичш ди посилюються завдяки здатност1 NO вступати в реакцш з супероксидним радикалом, утворюючи пероксиштрит. Ця сполука волод1е значно бшьшою реакцшною здатшстю, шж NO або супероксидний радикал вщокремлено [19].
За даними [11], система, що включае реактивш попередники азоту похщш ¿ндуцибельно! штроксидази (iNOS), ¿снуе не лише в нейтрофшах, але й в макрофагах.
У зрших макрофагах замкть ферменту м1елопероксидази ¿снуе шша альтернативна система руйнування Н202 i шших форм активного кисню, що складаеться з каталази та глутатюнпероксидази. Серед клаЫв макрофапв найбшьш активно генерують супероксидний анюн, альвеолярш макрофаги, при цьому пряма залежшсть м1ж споживанням кисню i мжробщидною здатшстю макрофапв визначаеться не завжди. 1снуе ще одна особливкть цих кл1тин, яка визначае ix функцюнальну призначешсть як ключових кл1тин запалення. У процес1 дозр1вання ¿з моноцита в макрофаги в цих фагоцитах вщм1чаеться р1зке зниження внутр1шньокл1тинно! кшькост1 азурофщьних гранул, як1 включають основний агресин бактерицидних фермешпв: м1елопероксидазу, серинов1 протеази, катюнш бшки та лактоферин. Даш органели рахуються ютинними мжробщидними органелами, що мобшзуються при фагоцитоз!, що визначае роль цих кл1тин як своерщних «камшадзе» збудниюв гострих шфекцшних захворювань [29]. Слщ зазначити, що в л1тератур1 часто при описаниях включень фагоцит1в ототожнюють поняття «л1зосоми» та «азурофшьш гранули» [27]. Ц1 дв1 кл1тинш органели за cboim змктом в1др1зняються одна вщ одно!. Якщо для л1зосом макрофапв характерна наявшсть таких компонешпв: кисл1 гщролази, нейтральш протеази, наявшсть л1зоциму, пероксидаз, то в азурофщьних гранулах нейтрофшв додаеться м1елопероксидаза та катюнш бактерицидш бшки. Кисла фосфатаза е специф1чним маркером л1зосом [2].
В результат! дослщжень останшх рок1в було встановлено, що оксид азоту, супероксиди та rnmi реактивш метаболии кисню беруть участь в багатьох ф1зюлопчних та патолопчних процесах як сигнальш мед1атори-провщники [22]. Регулящя перетворення р1зних джерел активних метаболтв кисню вщбуваеться шляхом модифжаци функци каскаду сигнально!
213
трансдукци. Так, продукщя мембран-асоцшованих джерел цих продукта може регулювати послщовшсть подш, що вщбуваються на плазматичнш мембраш. Якщо при високш концентраци вшьш радикали кисню i i'x похщш е небезпечними для живих оргашзм1в i можуть виб1рково руйнувати певш кл1тини, то при пом1рнш кшькост1 щ сполуки можуть виб!рково вадгравати позитивну роль як регуляторш мед1атори в процесах сигнал1заци р1зних ф1зюлопчних функцш. До них вщносяться регулящя судинного тонусу, мошторинг в контрол1 киснево! вентиляци, еритропоезу та iHmi. Вщм1чено, що при деяких видах патологи спостер1гаеться надм1рне i тривале збшьшення продукци реактивних вид1в кисню [28]. Також виявлено, що щ сполуки залучаються в мехашзми старшня шляхом присутньо! im пригшчуючо! активносп при прогресуючих змш регуляторних процеЫв, яю завершуються вираженими змшами гена.
В даний час, у зв'язку з нововщкритими та переглянутими рашше вщомими функцюнальними властивостями нейтрофшв, схема взаемоди фагоцита з патогенами значною м1рою модифжована [14, 29].
Особливий штерес при дослщженш бшюв плазматичних гранул нейтрофшв (а i'x бшьше 40) викликають не ферментш бактерицидш бшки, що володшть сумарним позитивним зарядом i бактерицидною д1ею. U,i протеши вадграють роль мед1атор1в запалення, фактором проникност1, стимуляци метабол1чних процеав [29, 30]. Bei вони також можуть виступати в рол1 ф1зюлопчних мед1атор1в [20, 24, 31].
Таким чином, можна прийти до висновку, що нейтрофши володшть багатим потенщалом низькомолекулярних бюлопчно активних речовин, яю здатш видшятися у позакл1тинний npocTip. Особливе м1сце займають i молекулярш м1жкл1тинш мед1атори, що продукуються нейтрофшами - активш метаболии кисню та оксиду азоту. U,i м1жкл1тинш посередники фагоцита здатш контролювати розвиток запалення як на раншх, так i на ni3Hix стад1ях ¿мунно! вщповвд оргашзму, i така взаеморегулящя функцюнально! активное^ цих кл1тин може випливати ¿з факту присутносп в оргашзм1 i'x епшьно! родоначально! кл1тини.
Л1тература
1. Гамалей М.А. Перекись водорода как сигнальная молекула / М.А. Гамалей, И.В. Клюбин // Цитология.-1996.-т.38.-№12.-с.1233-1248.
2. Kapp Я. Макрофаги. Обзор ультраструктуры и функций / Я. Kapp // М.Медицина.-1978.
3. Клебанов Г.И. Клеточные механизмы прайминга и активации фагоцитов / Г.И. Клебанов // Успехи совр. биол.-1999.-119.№5.-с.462-475.
4. Маслянко Р.П. Сучасний стан вчення про фагоцитоз / Р.П. Маслянко, Р.Й. Кравщв, Ю Р. Кравщв // Наук. вкник ЛНАВМ.-2005.-т.7, ч.1.-с.71-77.
5. Маслянко Р.П. Функцюнальна актившеть нейтрофшьних гранулоцита у проти шфекцшному захисп / Р.П. Маслянко, Ю.Р. Кравщв // Наук. вкник ЛНУВМтаБТ.-2007.-т.9.-№2.-с.185-192.
214
6. Маянский А.Н. Очерки о нейтрофиле и макрофаге / А.Н. Маянский, Д.Н. Маянский // Новосибирск.-1989.
7. Babior B.M. NADF oxidase: an update / B.M. Babaior // Blood.-1999.-v.93.-p.1424-1475.
8. Babaior B.M. Investigating antibody - catalyzed ozone generation by human neutrophils / B.M. Babior, C. Takeuchi, J. Ruedi // Proc. Natl. Acad. Sci. UAS.-2003.-v.100.-p.3031-3034.
9. Beckmann J.S. Nitric oxide, superoxide peroxinitrite the good, the bad and ugly / J.S. Beckmann, W.H. Koppenol // Am.J.Physiol.-1996.-v.271.-p.1424-1437.
10. Borregaard N. Granules of the human neutrophyllic polymorphonuclear leukocytes / N. Borregaard, J. Cowland // Blood.-1997.-v.89.-p.3503-3521/
11. Burgner D. Nitric oxide and infections disease / D. Burgner, K. Rockett, D. Kwiatkovsky // Arch.Dis.Child.-1999.-v.8.-p.185-189.
12. Dang P.M. Assembly of the neutrophil respiratory burst oxidase: a direct interaction between p67phox and cytochrome b558 // PHAS.-2002.-v.99.-p.4262-4265.
13. De Toledo G.A. Patch - clamp measurements reveal multimodel distribution of granule sizes in rat mast cells / G.A. De Toledo, J.M. Fernandez // J.Cell.Biol.-1999.-v.110.-p.1033-1038.
14. Descamps-Latscha B. Relations polynucleares neutrophyles et monocytes-macrophages / B.Descamps-Latscha, B.Witko-Sarsat // Rev.Fr.Allergol.-1999.-v.39.-p.241-247.
15. Druge W. Free radicals in the physiological control of cell function / W.Druge // Physiol.Rev.-2002.-v.82.-p.47-95.
16. Grandfeld D. Capacitative Ca2+ influx and activation of the neutrophyl respiratory burst. Different regulation of plasma membrane-and granule-localized NADPH-oxidaze / D.Grandfeld // J.Leucyte Biol.-2002.-v.71.-p.611-617.
17. Johansson A. Different subcellular localization of cytochrome b ad the dormant NADPH-oxidaze in neutrophils and macrophages: effect of the production of reactive oxygen species during phagocytosis / A. Johansson, A.J. Jesaitis // Cellular Immunol.-1995.-v.161.-p.61-71.
18. Kieldsen L. SGp28 a novel matrix glycoprotein in specific granules of human neutrophils with similarity to a human testis - specific gene product and to a rodent sperm-coating glycoprotein / L. Kieldsen, J.C.Cowland // FEBS Lett.-1996.-v.380.-p.246-252.
19. Labor M.T. Inteference of antibacterial agents with phagocyte functions: immunomodulation or immune-fairy tales? / M.T. Labro // Clin.Microbiol.Rev.-2000.-v.13.-p.615-650.
20. Levi O. Therapeutic potential of the bactericidal/permeability increasing protein / O.Levi // Exp.0pin.Juvest.Drugs.-2002.-v.11.-p.159-171.
21. Lollike K. Lysozyme in human neutrophils and plasma / parameter of myelopoietic activity / K. Lollike, L. Kjeidsen // Leukemia/-1995.-v.9.-p.159-171.
215
22. Nathan C. Reactive oxygen and nitrogen intermediates in the relationship between mammalian hosts and microbial pathogens / C. Nathan, M.Shiloh // Proc.Natl.Acad.Sci.USA.-2000.-v.97.-p.8841-8848.
23. Pabst M.J. Immunopharmacology of neutrophils / M.J. Pabst, P.G.Hellewell // London, Acad.Press.-1994.-v.16.-p.195-221.
24. Rice W.G. Defensin - rich dense granules of human neutrophils / W.G. Rice // Blood.-1987.-v.70.-p.757-768.
25. Sbarra A.J. The biochemical basis of phagocytosis. I. Metabolitic changes during the ingestion of particles by polymorphonuclear leukocytes / A.J. Sbarra, M.L. Karnovsky // J.Biol.Chem.-1959.-v.234.-p.1355-1362.
26. Swanson J.A> A contractive activity that closes phagosomes in macrophages / J.A. Swanson, M.T. Johnson, K.Bemingo // J.Cell.Sci.-1999.-v.112.-p.307-316.
27. Tappe H. Localized exocytosis of primary (liposomal) granules during phagocytosis: role of Ca2+ - dependent tyrosine phosphorylation and microtubules / H.Tappe, W.Furuya, S.Grinstein // J.Immunol.-2002.-v.168.-p.5287-5296.
28. Erner E. GTPases and reactive oxygen species: switches for killing and signaling / E.Werner // J.Cell.Sci.-2004.-v.117.-p.143-153.
29. Witko-Sarsat V. Neutrophils: molecules, function and patophysiological specks / V.Witko-Sarsat, P.Rien // Labor.Invest.-2000.-v.80.-p.617-650.
30. Wright D.G. Human neutrophil degranulation / D.G. Wright // Method.Enzymol.-1988.-v.162.-p.538-540.
31. Zarember K.A. Host defense functions of proteolytically processed and parent / K.A. Zarember, S.S. Katz, B.F. Tack // Infect.Immunol.-2002.-v.70.-p.569-576.
32. Zhao X. Cathcart protein in human monocytes // J.Leukoc.Biol.-2005.-v.77.-p.414-420.
Summary
R.P. Maslyanko, Doctor of Biological Sciences, Professor Lviv national university of veterinary medicine and biotechnology named of S.
Z. G^zitskyj THE PHAGOCYTOSIS ROLE IN IMMUNE DEFENSE OF MACROORGANISM
In this review the recent data about oxygen-depended mechanism of host defense fulfilled by phagocytic cells were presented. The directions of the reactive metabolites oxygen formation and enzymic systems participating in its' generation were described in details. The bactericidal characteristics of oxygen reactive metabolites are given, it was marked their role as like as physiologic messengers of inflammation. The differences in realization of the bactericidial activity of neutrophils of macrophages were characterized. The information about role of neutrophils in phagocytes cooperation in infection was analyzed as well as the proof of these cells ability to the synthesis and excretion of bioactive extracellular substances with low-molecular weight.
Рецензент - д.б.н., професор Куртяк Б.М.
216
