1. SP-D - маркер поражения легких.
1.1. SP-D и контроль воспаления в легких.
Известно, что сурфактантный белок D (SP-D) является одним из ключевых регуляторов функций альвеолярных макрофагов - основных клеток системы иммунитета в легких. SP-D вырабатывается нецилиарными клетками бронхиол - клетками Клара и альвеолоцитами II типа [1]. Понимание важности SP-D для адекватного функционирования альвеолярных макрофагов и иммунной защиты легких возникло после экспериментов на мышах, геном которых не имел гена SP-D (SP-D (-/-) мышей).
Отсутствие гена SP-D у мышей приводит к значительному воспалению в легких и увеличению восприимчивости к инфекциям [15]. У SP-D (-/-) мышей отмечено увеличение продукции провоспалительных цитокинов [10], развитие фиброза и, в конечном итоге, развитие эмфиземы легких [7]. В легких у мышей, лишенных гена SP-D, наблюдалась выраженная инфильтрация макрофагов, нейтрофилов и лимфоцитов в перибронхиальных и периваскулярных областях [10]. При этом отмечалось увеличение размеров макрофагов. Эти изменения в определенной мере связаны с усилением оксидантного стресса в легких SP-D (-/-) мышей. Так, например, оказалось, что альвеолярные макрофаги, выделенные из SP-D (-/-) мышей, продуцировали оксидативных молекул, таких как Н2О2, в 10 раз больше по сравнению с нормальными макрофагами. Показано, что антиоксидантные свойства SP-D обусловлены подавлением образования липидных радикалов [23].
В легких SP-D (-/-) мышей также увеличивалось содержание макрофагов, находящихся на разных стадиях некроза и апоптоза [10]. Добавлении экзогенного SP-D ограничивало гибель макрофагов [10]. При этом SP-D за счет связывания с углеводными и липидными частями на поверхностях апоптотических клеток облегчал процесс фагоцитоза уже погибших клеток [11] и тем самым способствовал нормальному разрешению воспаления.
При развитии воспаления в легких мышей, лишенных гена SP-D, особо следует отметить увеличение экспрессии индуцибельной NO-синтазы (iNOS) и продукции NO. Было показано, что ингибирование iNOS у SP-D (-/-) мышей приводило к уменьшению признаков воспаления и увеличению количества клеток в бронхо-альвеолярном лаваже (БАЛ) [4]. Следовательно, NO у SP-D (-/-) мышей можно рассматривать как запускающий фактор воспаления в легких, а SP-D - как фактор, контролирующий в легких продукцию NO [5].
Кроме того, установлено, что NO, в свою очередь, может контролировать эффекты SP-D [12]. Понять, как это происходит, помогло изучение структуры SP-D и механизмов взаимодействия белка с альвеолярными макрофагами.
1.2. Особенности структуры SP-D, влияющие на иммунорегуляторные свойства белка.
По результатам проведенных исследований установлено, что мономер белка SP-D имеет молекулярную массу 43 кДа, состоит из 375 аминокислот и включает четыре домена: NH2-хвостовой домен, коллагеноподобный домен, домен «шейки» и С-концевой лектиновый домен «головка», распознающий COOH-группы углеводов и лектин С-типа [1].
SP-D может существовать в различных олигомерных состояниях - в форме мономера, тримера, додекамера или мультимера. Процесс олигомеризации мономеров SP-D в тример вовлекает «шейный» и «головной» домены. Четыре тримера, соединяясь, формируют додекамер, участвующий, в свою очередь, в процессе мультимеризации. Установлено, что мономеры SP-D с делециями цистеинов в позициях 15 и 20 в NH2-хвостовом домене не способны к формированию додекамеров [12]. Эти данные свидетельствуют о существенном значении цистеинов хвостового домена в процессе олигомеризации и переходе от тримера к додекамеру.
Наличие двух цистеинов в NH2-хвостовом домене позволяет понять механизмы регуляторных эффектов сурфактантного белка D. В физиологических условиях в здоровом легком SP-D преимущественно находится в форме мультимеров и додекамеров со скрытыми хвостовыми доменами. При развитии воспаления, сопровождающегося усилением продукции NO, происходит нитрозилирование цистеинов хвостового домена, сопровождающееся распадом мультимеров до тримеров и мономеров [12].
Такая мультифункциональная структура белка позволяет SP-D выступать в качестве бивалентного фактора и определять двойственность иммунного ответа, обеспечивая возможность активации иммунного ответа провоспалительной или противовоспалительной направленности [11]. Разные олигомерные формы SP-D альтернативно влияют на активность и функции альвеолярных макрофагов [11]. Это связано с тем, что мультимеры и додекамеры SP-D взаимодействуют с одним типом рецепторов на поверхности альвеолярных макрофагов, обеспечивая противовоспалительную направленность иммунного ответа, тогда как S-нитрозилированные тримеры и мономеры - с другим типом рецепторов, активируя провоспалительное звено [11].
1.3. SP-D - фактор программирования фенотипа макрофагов.
Оказалось, что разные олигомерные формы SP-D альтернативно влияют на активность и функции альвеолярных макрофагов [11]. Это связано с вышеописанной способностью различных олигомерных форм взаимодействовать с мультимеров и додекамеров SP-D с разными типами рецепторов на поверхности альвеолярных макрофагов [11].
Открытые S-нитрозилированные хвостовые домены моно- и тримеров SP-D связываются с кальретикулином и CD-91 комплексом [11], что, в свою очередь, приводит к фосфорилированию внутриклеточного р38, активации ядерного фактора NF-kB и, соответственно, увеличению продукции провоспалительных медиаторов и NO. NO еще больше разрушает мультимеры SP-D, а образующиеся моно- и тримеры, в свою очередь, еще больше усиливают воспалительный ответ и бактерицидную активность макрофагов. Таким образом, на уровне макрофага формируется механизм положительной обратной связи, который, при необходимости, обеспечивает быстрый надлежащий ответ со стороны макрофагов, запуск системы врожденного иммунитета и уничтожение патогена, но, с другой стороны, может провоцировать чрезмерное развитие воспаления и обострение заболевания.
В физиологических условиях здорового легкого «хвостовые» домены SP-D спрятаны внутрь мультимерной структуры, а «головные» домены взаимодействуют с рецепторами сигнального ингибирующего регуляторного белка-α (SIRP-α) [11] и активируют киназу SHP-1. Это приводит к подавлению активации р38, блокированию NF-kB, и, соответственно, угнетению воспалительных реакций макрофагов.
На основании этих данных процессы нитрозилирования и денитрозилирования SP-D и, соответственно, существование SP-D в различных олигомерных формах обеспечивает возможность переключения функции SP-D с активатора на ингибитор воспалительной активности макрофагов. Следовательно, SP-D можно рассматривать как фактор программирования макрофагов. Действительно, при действии тримеров или мономеров SP-D макрофаги преимущественно приобретают провоспалительный М1 фенотип и характеризуются усилением продукции NO и провоспалительных цитокинов, а при действии мультимеров - антивоспалительный М2 фенотип, для которого характерно подавление продукции NO и провоспалительных цитокинов [11].
Обнаружен ряд факторов, программирующих макрофаги на М1 фенотип. К ним относятся Тh1 цитокины (IFN-γ, TNF-α), патоген-ассоциированные молекулярные комплексы - ЛПС, липопротеины, dsРНК, различные грамположительные и грамотрицательные бактерии, цитомегаловирус, белки теплового шока, бокс 1 высокомобильной группы (HMGB1) [1]. Целый ряд факторов может программировать макрофаги на М2 фенотип: Тh2 цитокины (IL-4, IL-13), иммунокомплексы в сочетании с IL-1β, IL-10, TGF-β, агонисты ядерного рецептора PPAR-γ, контролирующего макрофагальное воспаление, Coxiella burnetii и Leismania, витамин D3, глюкокортикоиды и апоптотические клетки [1].
Таким образом, при кратком анализе роли SP-D в регуляции функций макрофагов бросается в глаза одно важное обстоятельство: SP-D - это единственный фактор репрограммирования, который действует по принципу «два в одном», то есть может программировать макрофаги и на М1, и на М2 фенотип. Благодаря этому SP-D можно рассматривать как бивалентный регулятор процесса воспаления в легких [1].
2. SP-D, иммунный ответ и клинические проявления при заболеваниях легких.
В клинических работах ранее не анализировалось соотношение разных олигомерных форм SP-D при заболеваниях легких, несмотря на их важную роль. Поэтому в полной мере понять и оценить роль SP-D при заболеваниях легких у человека станет возможным только в будущем, после проведения такого анализа.
2.1. Хроническая обструктивная болезнь легких.
Особенностью клинической картины ХОБЛ является прогрессирующая необратимая обструкция дыхательных путей, связанная с патологическим воспалением дыхательных путей. Во многих случаях развитие ХОБЛ связано с длительным курением.
У пациентов с ХОБЛ, по сравнению со здоровыми людьми, альвеолярные макрофаги имеют выраженный М1 фенотип, что обусловливает направленность иммунного ответа по клеточному Th1 пути. У курящих лиц без ХОБЛ при действии основного фактора риска развития болезни - сигаретного дыма отмечено программирование макрофагов на М2 фенотип [19]. Значение такой трансформации фенотипа макрофагов до болезни в ответ на действие этиологического фактора и во время самой болезни еще предстоит оценить.
В ряде работ было показано, что у курящих пациентов без ХОБЛ, а также у курящих и некурящих пациентов с ХОБЛ уровень SP-D в БАЛ снижен по сравнению со здоровыми лицами [20]. Экспериментальные данные, полученные на SP-D (-/-) мышах, показывают, что снижение содержания SP-D может играть роль в патогенезе ХОБЛ из-за усиления оксидативного стресса, апоптоза и некроза в легких [15].
Снижение содержания SP-D может быть связано с тем, что альвеолярные макрофаги могут поглощать и разрушать SP-D [22] и/или с тем, что из-за повреждения легочного эпителия и нарушения проницаемости капилляров, характерного для процесса воспаления, происходит попадание SP-D в системный кровоток, вызывая увеличение уровня SP-D в сыворотке.
Снижение содержания SP-D в легких при ХОБЛ приводит к повышенной восприимчивости органа к инфекциям, а последующая колонизация микроорганизмами увеличивает риск обострений ХОБЛ и прогрессирование заболевания [18].
В настоящее время определение маркеров воспаления и повреждения легких остается значимой задачей, учитывая актуальность проблемы воспаления в развитии ХОБЛ. У пациентов с ХОБЛ была установлена четкая обратная зависимость между тяжестью заболевания и уровнем SP-D в сыворотке, тогда как для белка-16 клеток Клара (CC16) или СРБ (С-реактивного белка) такой взаимосвязи не наблюдалось [20].
Таким образом, у пациентов с ХОБЛ снижение содержания SP-D в легких может рассматриваться как один из факторов усиления воспаления в легких и повышения восприимчивости к респираторным инфекциям и хроническим колонизациям, а также выступать в качестве диагностического маркера поражения легких и использоваться для прогнозирования исходов состояния пациентов с ХОБЛ.
2.2. Бронхиальная астма.
Показано, что при БА уровень SP-D в БАЛ пациентов в несколько раз превышает значения, полученные у пациентов без БА [14]. В экспериментах in vitro было установлено, что повышение уровня SP-D при БА направлено на ограничение легочного воспаления. Компенсаторный характер повышения SP-D при воспалении, вероятнее всего, обусловлен способностью SP-D усиливать цитотоксические и фагоцитирующие свойства макрофагов.
По результатам проведенных исследований установлено, что в отличие от ХОБЛ на фоне высокого содержания SP-D при БА альвеолярные макрофаги преимущественно имели М2 фенотип, и, соответственно, иммунный ответ развивался по Th2 типу [21]. В настоящее время повышение концентрации SP-D в легких больных БА и соответственно этому программирование М2 фенотипа альвеолярных макрофагов и развитие Th2 иммунного ответа рассматриваются как основной молекулярный механизм развития этого заболевания.
Однако при развитии обострений БА уровень SP-D резко снижается [8]. Имеющиеся данные позволяют по-новому взглянуть на патогенез и способы купирования обострений. Возможно, факторы, провоцирующие развитие БА, нарушают синтез SP-D или увеличивают поступление SP-D в системный кровоток, как это, например, происходит при респираторном дистресс-синдроме. Если вспомнить, что SP-D является «секреторным патоген-распознающим рецептором» [6], можно также предположить, что снижение уровня SP-D при обострении БА обусловлено абсорбцией молекул SP-D на поверхности аллергенов. Дальше, вне зависимости от механизма, снижение SP-D приводит к тому, что воспаление «выходит» из-под SP-D-зависимого контроля и провоцирует приступ БА. В случае подтверждения этой гипотезы профилактика и купирование приступов БА должны быть направлены на предотвращение падения или быстрое восстановление уровня SP-D при действии провоцирующих факторов.
2.3. Саркоидоз.
Саркоидоз относится к группе наиболее распространенных интерстициальных болезней легких неустановленной природы. В настоящее время распространенность заболевания как в России, так и в мире неуклонно растет [2]. Уровень SP-D в бронхо-альвеолярной лаважной жидкости (БАЛЖ) и сыворотке пациентов с саркоидозом повышен по сравнению со здоровыми людьми и прогрессивно увеличивается при возрастании тяжести заболевания [14].
Установлено, что при саркоидозе альвеолярные макрофаги преимущественно приобретают М1 фенотип, и иммунный ответ, соответственно, развивается по Th1 пути вне зависимости от стадии патологического процесса [17].
В настоящее время невыясненным остается вопрос отличий в формировании преобладающего фенотипа альвеолярных макрофагов на фоне повышенного содержания SP-D при саркоидозе и бронхиальной астме: почему при БА на фоне повышенного содержания SP-D формируется М2 фенотип макрофагов, а при саркоидозе - М1? Не исключено, что это связано с разным соотношением олигомерных форм SP-D при БА и саркоидозе.
2.4. Инфекции дыхательных путей.
SP-D не только способен непосредственно взаимодействовать с основными клетками системы врожденного иммунитета - альвеолярными макрофагами, но и выполняет важную роль в механизмах взаимодействия макрофагов с патогенами. Благодаря способности связываться с липополисахаридом (ЛПС), основным компонентом клеточной стенки грамотрицательных бактерий и основной причиной развития эндотоксического шока при развитии инфекционных процессов, SP-D связывается с грамотрицательными бактериями, такими как Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae, E.coli и Haemophilus influenza. Связывание SP-D с этими бактериями способствует их агглютинации и стимулирует хемотаксис нейтрофилов, макрофагов и эозинофилов к месту инвазии патогена, что существенно увеличивает эффективность фагоцитоза микробов макрофагами и нейтрофилами [10]. Также SP-D связывается с грамположительными бактериями, такими как Streptococcus pneumoniae и S. aureus, а также с микобактериями [13], вирусами, такими как РСВ и вирус гриппа [16], и грибами, такими как Pneumocystis carinii, Aspergillus fumigatus, Cryptococcus neoformans и Candida albicans [20].
Таким образом, обеспечивая взаимодействие с патогенными микроорганизмами, предназначенными для уничтожения иммунной системой, и выступая в качестве аттрактанта для иммунных клеток, SP-D выполняет классические опсонизирующие функции и способствует повышению эффективности фагоцитоза.
Оказалось, что SP-D может связываться с рецепторами CD14, входящими в состав рецепторного комплекса ЛПС [13]. Взаимодействия SP-D с данными рецепторами способствуют подавлению провоспалительного ответа, тем самым обеспечивая механизм протективного действия белка против эндотоксического шока [18].
Все эти данные позволяют предположить, что снижение содержания SP-D в легких будет приводить к увеличению восприимчивости организма к инфекциям. Эта гипотеза нашла подтверждение в экспериментальных работах на мышах, лишенных гена SP-D: SP-D (-/-) мыши оказались более восприимчивы к инфекциям дыхательных путей, вызываемых Pneumocystis carinii [9], вирусом гриппа, РСВ и бактериями [3].
Таким образом, отсутствие SP-D повышает чувствительность организма к инфекциям, а его присутствие способствует клиренсу патогенных микробных из дыхательных путей.
Заключение
Таким образом, как показывают современные данные о структуре сурфактантного белка D, особенностях взаимодействия белка с альвеолярными макрофагами и, соответственно, альтернативном изменении функций белка и, кроме того, изменении уровня SP-D при различных заболеваниях легких, белок может быть использован не только как маркер повреждения легких, но и как агент воздействия на патогенетические звенья воспалительной реакции, что раскрывает новые возможности для решения фундаментальных проблем клинической медицины.
Рецензенты:
- Стаценко М.Е., д.м.н., профессор, проректор по научной работе ГОУ ВПО «Волгоградский государственный медицинский университет» Минздравсоцразвития России, г. Волгоград
Работа получена 30.08.2011