Rola neutrofili w obronie przed infekcją
Agnieszka Maciąg
Ważną rolę w obronie organizmu przed rozmaitymi patogenami pełnią komórki krwi. Na szczególną uwagę zasługują neutrofile, zaangażowane w mechanizmy wrodzonej odpowiedzi immunologicznej organizmu. Komórki te wędrują do zainfekowanych tkanek, gdzie stanowią pierwszą linię obrony przed zakażeniem. Ponieważ należą do grupy komórek żernych,ich zasadniczą rolą jest fagocytoza czynników patogennych. Istotną rolę w tym procesie pełnią liczne peptydy kationowe i enzymy proteolityczne, których krótka charakterystyka jest przedmiotem tego artykułu.
1. Migracja neutrofili w miejsce zapalenia
Nieswoiste mechanizmy odpowiedzi immunologicznej opierają się w głównej mierze na działalności leukocytów obojętnochłonnych, czyli neutrofili. Ta populacja komórek krwi ma zdolność bardzo szybkiego przybycia w miejsce zapalenia, w którym fagocytuje i niszczy komórki intruza. Wędrówka neutrofili do zainfekowanych tkanek jest jednak procesem niezwykle złożonym, zależnym od szeregu rozmaitych czynników.
Pierwszym etapem opuszczania naczyń krwionośnych jest toczenie się neutrofili po komórkach śródbłonka. Proces ten odbywa się dzięki wiązaniu selektyn, białek związanych z błoną neutrofili lub śródbłonkiem naczyń, ze swoistymi ligandami. W następstwie tego związania dochodzi do zaczepienia się neutrofili o powierzchnię śródbłonka, a napierający na nie prąd krwi wprawia je w ruch obrotowy. Można powiedzieć, że neutrofile "toczą się" po śródbłonku.
Ścisłą adhezję do komórek śródbłonka umożliwiają, obecne na neutrofilach białka z grupy integryn. Ulegają one aktywacji wskutek działania czynników chemotaktycznych, takich jak, cytokiny, czynniki wzrostowe, czy produkty bakteryjne, unieruchomione na powierzchni endotelium przy pomocy cząsteczek proteoglikanu. Za jedną z ważniejszych chemokin uważana jest interleukina 8.
Kolejny etap to diapedeza, proces, w wyniku, którego neutrofile przechodzą w poprzek ściany naczynia do tkanek. Wymaga on zmiany płynności ich błony komórkowej, umożliwiającej przeciskanie się między komórkami śródbłonka. Dużą rolę odgrywają tu również połączenia międzykomórkowe. W wyniku złożonej sekwencji zdarzeń dochodzi do odwracalnego rozluźnienia tych połączeń, które po przepuszczeniu neutrofili ulegają ponownemu uszczelnieniu. Poruszanie się leukocytów w przestrzeniach międzykomórkowych wspomagają enzymy, rozkładające białka macierzy pozakomórkowej: metaloproteinazy, proteinazy serynowe, plazmina i katepsyny lizosomalne.
Ryc. 1. Etapy wędrówki granulocytów obojętnochłonnych w miejsce infekcji. (1) Toczenie się neutrofili po komórkach śródbłonka. (2) Ścisła adhezja do komórek śródbłonka. (3) Przeciskanie się pomiędzy komórkami śródbłonka. (4) Wędrówka w głąb tkanek.
Bakteriobójcze działanie neutrofili może zachodzić na drodze tlenowej, z utworzeniem toksycznych związków tlenowych (tzw. wybuch tlenowy), lub niezależnej od tlenu, w wyniku uwolnienia do wnętrza fagolizosomu lub przestrzeni zewnątrzkomórkowej bakteriobójczych białek lub peptydów, magazynowanych w ziarnistościach neutrofili.
2. Granulogeneza
Granulogeneza jest procesem powstawania ziarnistości neutrofilowych i ma miejsce na etapie dojrzewania neutrofili w szpiku kostnym. Jako pierwsze powstają ziarnistości pierwszorzędowe, czyli azurofilne, później drugorzędowe (swoiste) i w końcu trzeciorzędowe (żelatynazowe). Odrębną grupę stanowią pęcherzyki wydzielnicze, które powstają już w dojrzałych neutrofilach
Ryc. 2. Uwalnianie antybakteryjnych białek i peptydów z ziarnistości neutrofili w procesie fagocytozy bakterii gram-ujemnych. Swoiste granule neutrofili przeważnie uwalniają swą zawartość do przestrzeni zewnątrzkomórkowej, w przeciwieństwie do ziarnistości azurofilnych, które ulegają zwykle degranulacji w fagolizosomie. W mniejszym stopniu granule drugorzędowe mogą jednak również ulegać degranulacji w fagolizosomie, a pierwszorzędowe na zewnątrz komórki. U dołu rysunku przedstawiono symbole, odpowiadające poszczególnym rodzajom ziarnistości neutrofili; żółtym kolorem zaznaczono bakterie gramujemne.
3. Peptydy i białka antybakteryjne
Tkanki ssaków wyposażone są w rozmaite zestawy peptydów antybakteryjnych syntetyzowanych i wydzielanych w dużych ilościach głównie w miejscach szczególnie narażonych na działanie drobnoustrojów, takich jak skóra, czy nabłonek śluzowy w celu zapewnienia jak najszybszej obrony przed infekcją. Lokalnie syntetyzowane peptydy są dodatkowo wspomagane przez peptydy magazynowane w ziarnistościach neutrofili, uwalniane w miejscu infekcji.
Antybakteryjne białka i peptydy zgromadzone są głównie w ziarnistościach azurofilnych i swoistych. Do najważniejszych z nich należą BPI (białko zwiększające przepuszczalność błony bakterii gram-ujemnych), defensyny, laktoferyny i LL37. Istotną rolę pełnią również proteinazy serynowe i metaloproteinazy. Wiele z nich, obok funkcji wrodzonych czynników bakteriobójczych, pośredniczy także w wielu innych procesach biologicznych.
Ryc. 3. Biologiczne funkcje peptydów i białek antybakteryjnych.
3.1. LL37 / hCAP18
Należące do rodziny katelicydyny białko o nazwie CAP18 jest prekursorem LL-37 magazynowanym w swoistych granulach neutrofili. Charakterystyczną dla tej grupy białek cechą budowy jest obecność konserwatywnego fragmentu N końcowego (tzw. domena kateliny) i C-końcowego peptydu bakteriobójczego. Aby peptyd uzyskał aktywność musi nastąpić odcięcie domeny C-końcowej, które zachodzi przy udziale proteinaz serynowych, pochodzących z ziarnistości azurofilnych. W wyniku proteolitycznej obróbki powstaje aktywny bakteriobójczo peptyd LL37.
Ryc. 4. Schematyczna pierwszorzędowa struktura białek z rodziny katelicydyny.
Należące do tej rodziny białka posiadają N-końcowy peptyd sygnalny, konserwatywną domenę kateliny oraz C końcowy peptyd o właściwościach antybakteryjnych.
Bakteriobójcze działanie LL-37 przejawia się w jego zdolności naruszania integralności błony komórkowej mikroorganizmów. Decyduje o tym kationowy charakter peptydu i skłonność do wiązania z ujemnie naładowaną powierzchnią bakterii
Oprócz ziarnistości azurofilnych granulocytów obojętnochłonnych, LL37 może występować w innych komórkach krwi, jak limfocyty i monocyty, a także keranocytach oraz komórkach epitelium. Wykazuje on szerokie spektrum aktywności w stosunku do bakterii, ale również i grzybów. Aktywność bakteriobójcza nie jest jedyną jego właściwością. Do ważnych funcji tego peptydu należą też, między innymi: stymulacja chemotaksji neutrofili, monocytów i komórek T, mobilizacja stężenia jonów wapnia w limfocytach i wpływ na degranulację komórek tucznych i produkcję niektórych chemokin.
Najnowsze badania wskazują na to, że LL-37 może ulegać proteolitycznej obróbce, w wyniku, której powstają krótsze formy tego peptydu, nazwane przez odkrywców: RK-31 i KS-30, znacznie różniące się właściwościami od peptydu wyjściowego.
3.2. Proteinazy serynowe ziarnistości pierwszorzędowych
Inną grupę białek neutrofilowych istotnych w obronie organizmu przed inwazją patogenów stanowią proteinazy serynowe zlokalizowane w ziarnistościach azurofilnych, takie jak katepsyna G, elastaza neutrofilowa i proteinaza 3. Wszystkie są kationowymi glikoproteinami podobnej wielkości (25-29 kDa) i wykazują znaczne podobieństwo sekwencji aminokwasowej. Komórki fagocytujące wykorzystują te enzymy do niszczenia patogenów i restrukturyzacji tkanek.
Aktywność proteinaz serynowych jest regulowana przez naturalne, obecne w surowicy, inhibitory z grupy serpin, do których należy, między innymi, ą1 antytrypsyna (ą1-AT) i inhibitor ą1-proteinazy.
Katepsyna G, obok ziarnistości pierwotnych leukocytów obojętnochłonnych, występuje w mniejszych ilościach także w monocytach. Wykazuje duży potencjał bójczy w stosunku do bakterii, drożdży i grzybów. Posiada ponadto zdolność degradacji niektórych białek błonowych, aktywuje elastazę neutrofilową, stymuluje wędrówkę makrofagów oraz ekspresję niektórych cytokin pozapalnych, a działając synergistycznie z antygenem, stymuluje produkcję przeciwciał.
Ludzka elastaza neutrofilowa wykazuje bardzo duże podobieństwo w aktywności proteolitycznej do proteinazy 3. Obie trawią elastynę i białka błonowe oraz indukują syntezę interleukiny 8 w komórkach śródbłonka. Fizjologicznymi inhibitorami tych proteinaz są ą1 antytrypsyna i ą2-makroglobulina. Elastaza jest obecna jest w ziarnistościach neutrofili w stosunkowo dużych ilościach i wykazuje znacznie wyższą aktywność proteolityczną niż katepsyna G. Przypuszcza się, związana z powierzchnią tych komórek, toruje im drogę w procesie migracji.
Niehamowana aktywność HNE może przyczynić się do uszkodzenia tkanek. Badania dowodzą, że wrodzone niedobory ą1 AT odgrywają kluczową rolę w przebiegu niektórych chorób (np. odma płuc).
Potencjał antybakteryjny HNE ujawnia się poprzez aktywację prekursorów antybakteryjnych peptydów oraz bezpośrednią proteolityczną degradację składników zewnętrznej błony mikroorganizmów.
Wyszukiwarka