Цитокины. Для чего нужны цитокины – особенности клеток, управляющих иммунитетом Цитокины классификация механизмы работы биологическая роль

Общая характеристика цитокинов. Цитокины -- самая многочисленная, наиболее важная и универсальная в функциональном отношении группа гуморальных факторов системы иммунитета, в равной степени важная для реализации врожденного и адаптивного иммунитета. Цитокины участвуют во многих процессах; их нельзя назвать факторами, относящимися исключительно к иммунной системе, поскольку они играют важную роль в кроветворении, тканевом гомеостазе, межсистемной передаче сигналов.

Цитокины можно определить, как белковые или полипептидные факторы, лишенные специфичности в отношении антигенов, продуцируемые преимущественно активированными клетками кроветворной и иммунной систем и опосредующие межклеточные взаимодействия при кроветворении, воспалении, иммунных процессах и межсистемных коммуникациях.

Цитокины различаются по строению, биологической активности и другим свойствам. Однако наряду с различиями цитокины обладают общими свойствами, характерными для данного класса биорегуляторных молекул:

• · Цитокины - это, как правило, гликозилированные полипептиды средней молекулярной массы (менее 30 кD).
• · Цитокины вырабатываются клетками иммунной системы и другими клетками (например, эндотелием, фибробластами и др.) в ответ на активирующий стимул (патогенассоциированные молекулярные структуры, антигены, цитокины и др.) и участвуют в реакциях врожденного и адаптивного иммунитета, регулируя их силу и продолжительность. Некоторые цитокины синтезируются конститутивно.
• · Секреция цитокинов - короткий по времени процесс. Цитокины не сохраняются как преформированные молекулы, а их синтез начинается всегда с транскрипции генов. Клетки вырабатывают цитокины в низкой концентрации (пикограммы на миллилитр).
• · В большинстве случаев цитокины продуцируются и действуют на клетки-мишени, находящиеся в непосредственной близости (короткодистантное действие). Основное место действия цитокинов - межклеточный синапс.
• · Избыточность системы цитокинов проявляется в том, что каждый тип клеток способен продуцировать несколько цитокинов, а каждый цитокин может секретироваться различными клетками.
• · Для всех цитокинов характерна плейотропность, или полифункциональность действия. Так, проявление признаков воспаления обусловлено влиянием ИЛ-1, ФНОб, ИЛ-6, ИЛ-8. Дублирование функций обеспечивает надежность работы системы цитокинов.
• · Действие цитокинов на клетки-мишени опосредуется высокоспецифичными высокоаффинными мембранными рецепторами, представляющими собой трансмембранные гликопротеины, состоящие, как правило, более чем из одной субъединицы. Внеклеточная часть рецепторов ответственна за связывание цитокина. Существуют рецепторы, устраняющие избыток цитокинов в патологическом очаге. Это так называемые рецепторы-ловушки. Растворимые рецепторы представляют собой внеклеточный домен мембранного рецептора, отделенный с помощью фермента. Растворимые рецепторы способны нейтрализовывать цитокины, участвовать в транспорте их в очаг воспаления и в выведении из организма.
• · Цитокины работают по принципу сети. Они могут действовать согласованно. Многие функции, приписываемые первоначально одному цитокину, как оказалось, обусловлены согласованным действием нескольких цитокинов (синергизм действия). Примерами синергического взаимодействия цитокинов являются стимуляция воспалительных реакций (ИЛ-1, ИЛ-6 и ФНОа), а также синтеза IgE (ИЛ-4, ИЛ-5 и ИЛ-13).

Классификация цитокинов. Существует несколько классификаций цитокинов, основанных на разных принципах. Традиционная классификация отражает историю изучения цитокинов. Идея о том, что цитокины играют роль факторов, опосредующих функциональную активность клеток иммунной системы, возникла после открытия гетерогенности популяции лимфоцитов и осмысления факта, что только некоторые из них -- В-лимфоциты -- ответственны за образование антител. Пытаясь выяснить, не играют ли гуморальные продукты Т-клеток роль в реализации их функций, начали изучать биологическую активность факторов, содержащихся в культуральной среде Т-лимфоцитов (особенно активированных). Решение этой задачи, а также возникшего вскоре вопроса о гуморальных продуктах моноцитов/макрофагов, привело к открытию цитокинов. Вначале их называли лимфокинами и монокинами, в зависимости от того, какие клетки их продуцировали -- Т-лимфоциты или моноциты. Вскоре выяснилось, что четко разграничить лимфокины и монокины нельзя, и был введен общий термин -- «цитокины». В 1979 г. На симпозиуме по лимфокинам в Интерлакене (Швейцария) установили правила идентификации факторов этой группы, которым присвоили групповое название «интерлейкины» (IL). Тогда же свои названия получили два первых члена этой группы молекул -- IL-1 и IL-2. С тех пор все новые цитокины (кроме хемокинов -- см. далее) получали обозначение IL и порядковый номер.

Традиционно, в соответствии с биологическими эффектами, принято выделять следующие группы цитокинов:

• · Интерлейкины (ИЛ-1-ИЛ-33) - секреторные регуляторные белки иммунной системы, обеспечивающие медиаторные взаимодействия в иммунной системе и связь ее с другими системами организма. Интерлейкины разделяют по функциональной активности на про- и противовоспалительные цитокины, ростовые факторы лимфоцитов, регуляторные цитокины и др.
• · Интерфероны (ИФН) - цитокины, участвующие в противовирусной защите, с выраженным иммунорегуляторным действием (ИФН типа 1 - ИФН б, в, д, к, ?, ф; группы ИФНподобных цитокинов - ИЛ-28А, ИЛ-28В и ИЛ-29; ИФН типа 2 - ИФНг).
• · Факторы некроза опухоли (ФНО) - цитокины с цитотоксическим и регуляторным действиями: ФНОа и лимфотоксины (ЛТ).
• · Факторы роста гемопоэтических клеток - фактор роста стволовых клеток (Kit-ligand), ИЛ-3, ИЛ-7, ИЛ-11, эритропоэтин, тробопоэтин, гранулоцитарно-макрофагальный колониестимулирующий фактор - ГМ-КСФ, гранулоцитарный КСФ - Г-КСФ, макрофагальный КСФ - М-КСФ).
• · Хемокины - С, СС, СХС (ИЛ-8), СХ3С - регуляторы хемотаксиса различных типов клеток.
• · Факторы роста нелимфоидных клеток - регуляторы роста, дифференцировки и функциональной активности клеток различной тканевой принадлежности (фактор роста фибробластов - ФРФ, фактор роста эндотелиальных клеток, эпидермальный фактор роста - ЭФР эпидермиса) и трансформирующие факторы роста (ТФРв, ТФРб).

Понятие «цитокины» достаточно трудно отграничить от понятия «ростовые факторы». Более точному пониманию понятия «интерлейкин» (фактически совпадающего с понятием «цитокин») способствовало введение Номенклатурным комитетом Международного союза иммунологических обществ в 1992 г. критериев, регламентирующих присвоение новым интерлейкинам очередного номера: для этого требуется молекулярное клонирование, секвенирование и экспрессия гена интерлейкина, удостоверяющие уникальность его нуклеотидной последовательности, а также получение нейтрализующих моноклональных антител. Для установления отличий между интерлейкинами и сходными факторами важны данные о выработке этой молекулы клетками иммунной системы (лейкоцитами) и доказательство ее роли в регуляции иммунных процессов. Таким образом, подчеркивается обязательное участие интерлейкинов в функционировании иммунной системы. Если считать, что интерлейкинами называют все открытые после 1979 г. цитокины (кроме хемокинов) и, следовательно, эти понятия фактически тождественны, то можно считать, что такие ростовые факторы, как эпидермальный, фибробластный, тромбоцитарный не являются цитокинами, а из трансформирующих факторов роста (TGF) по признаку функциональной причастности к иммунной системе лишь TGFв может быть отнесен к цитокинам. Однако этот вопрос в международных научных документах строго не регламентирован.

Четкая структурная классификация цитокинов отсутствует. Тем не менее по особенностям их вторичной структуры выделяют несколько групп:

• · Молекулы с преобладанием б-спирализованных тяжей. Они содержат 4 б-спиральных домена (2 пары б-спиралей, расположенных под углом друг к другу). Выделяют короткий и длинный (по протяженности б-спиралей) варианты. К первому относят большинство цитокинов-гемопоэтинов -- IL-2, IL-3, IL-4, IL-5, IL-7, IL-9, IL-13, IL-21, IL-27, IFNг и M-CSF; ко второму -- IL-6, IL-10, IL-11 и GM-CSF.
• · Молекулы с преобладанием в-складчатых структур. К ним относят цитокины семейства фактора некроза опухоли и лимфотоксины («в-трилистник»), семейство IL-1 (в-сендвич), семейство TGF (цитокиновый узел).
• · Короткая б/в-цепь (в-пласт с прилежащими б-спиралями) -- хемокины.
• · Смешанные мозаичные структуры, например, IL-12.

В последние годы в связи с идентификацией большого числа новых цитокинов, иногда родственных ранее описанным, и образующих с ними единые группы, стали широко использовать классификацию, основанную на принадлежности цитокинов к структурно-функциональным семействам.

Еще одна классификация цитокинов основана на структурных особенностях их рецепторов. Как известно, через рецепторы и осуществляется действие цитокинов. По особенностям структуры полипептидных цепей выделяют несколько групп цитокиновых рецепторов. Приводимую классификацию применяют именно к полипептидным цепям. В состав одного рецептора могут входить цепи, относящиеся к разным семействам. Важность этой классификации обусловлена тем, что для разных типов полипептидных цепей рецепторов характерен определенный сигнальный аппарат, состоящий из тирозинкиназ, адапторных белков и транскрипционных факторов.

Наиболее многочисленный тип -- цитокиновые гемопоэтиновые рецепторы. Для их внеклеточных доменов характерно наличие 4 остатков цистеина и присутствие последовательности, содержащей остатки триптофана и серина -- WSXWS. Домены семейства фибронектина, содержащие 4 остатка цистеина, составляют основу рецепторов интерферонов. Характерная черта доменов, образующих внеклеточную часть рецепторов семейства TNFR, -- высокое содержание остатков цистеина («богатые цистеином домены»). Эти домены содержат 6 остатков цистеина. Группа рецепторов, внеклеточные домены которых относят к суперсемейству иммуноглобулинов, включает две группы -- рецепторы для IL-1 и несколько рецепторов, цитоплазматическая часть которых обладает тирозинкиназной активностью. Тирозинкиназная активность свойственна цитоплазматической части практически всех ростовых факторов (EGF, PDGF, FGF и т.д.). Наконец, особую группу образуют родопсиноподобные рецепторы хемокинов, 7-кратно пронизывающие мембрану. Однако не все полипептидные цепи рецепторов соответствуют этой классификации. Так, ни б-, ни в-цепи рецептора IL-2 не относят к семействам, представленным в таблице 3 (б-цепь содержит домены контроля комплемента). В основные группы также не входят рецепторы IL-12, общая в-цепь рецепторов IL-3, IL-5, GMCSF и некоторые другие полипептидные цепи рецепторов.

Практически все цитокиновые рецепторы (кроме иммуноглобулиноподобных, обладающих киназной активностью) состоят из нескольких полипептидных цепей. Нередко разные рецепторы содержат общие цепи. Наиболее яркий пример -- г-цепь, общая для рецепторов IL-2, IL-4, IL-7, IL-9, IL-15, IL-21, обозначаемая как г(с). Дефекты этой цепи играют важную роль в развитии иммунодефицитной патологии. Общая в-цепь входит в состав рецепторов GM-CSF, IL-3 и IL-5. Общие цепи имеют IL-7 и TSLP (б-цепь), а также IL-2 и IL-15, IL-4 и IL-13 (в обоих случаях -- в-цепь).

Как правило, рецепторы представлены на поверхности покоящихся клеток в небольшом количестве и нередко в неполном субъединичном составе. Обычно в таком состоянии рецепторы обеспечивают адекватный ответ только при действии очень высоких доз цитокинов. При активации клеток число мембранных рецепторов цитокинов увеличивается на порядки, более того, эти рецепторы «доукомплектовываются» полипептидными цепями, как это было показано выше на примере рецептора для IL-2. Под влиянием активации число молекул этого рецептора значительно возрастает и в их составе появляется б-цепь, ген которой экспрессируется в процессе активации. Благодаря таким изменениям лимфоцит приобретает способность пролиферировать в ответ на действие IL-2.

Механизмы действия цитокинов

Внутриклеточная передача сигнала при действии цитокинов. В состав С-концевой цитоплазматической части некоторых цитокиновых рецепторов (относящихся к суперсемейству иммуноглобулинов) входит домен, обладающий активностью тирозинкиназы. Все эти киназы относятся к разряду протоонкогенов, т.е. при изменении генетического окружения становятся онкогенами, обеспечивая бесконтрольную пролиферацию клетки. Эти киназы имеют собственное название. Так, киназу, входящую в состав рецептора M-CSF, обозначают как c-Fms; киназу SCF -- c-Kit; известна киназа гемопоэтического фактора -- Flt-3 (Fms-like thyrosine kinase 3). Рецепторы, обладающие собственной киназной активностью, запускают передачу сигнала непосредственно, поскольку их киназа обусловливает фосфорилирование как самого рецептора, так и прилежащих к нему молекул.

Наиболее типичный вариант проявления активности характерен для рецепторов гемопоэтинового (цитокинового) типа, содержащих 4 б-спиральных домена. К цитоплазматической части таких рецепторов примыкают молекулы тирозинкиназ группы Jak-киназ (Janus-associated family kinases). В цитоплазматической части цепей рецепторов есть специальные участки для связывания этих киназ (проксимальный и дистальный боксы). Всего известно 5 Janus-киназ -- Jak1, Jak2, Jak3, Tyk1 и Tyk2. Они в различных комбинациях кооперируются с разными цитокиновыми рецепторами, обладая сродством к конкретным полипептидным цепям. Так, киназа Jak3 взаимодействует с г(с)-цепью; при дефектах гена, кодирующего эту киназу, развивается комплекс нарушений в иммунной системе сходный с наблюдаемым при дефектах гена полипептидной цепи рецептора.

При взаимодействии цитокина с рецептором происходит генерация сигнала, приводящего к формированию транскрипционных факторов и активации генов, определяющих реакцию клетки на действие цитокина. Одновременно происходит поглощение клеткой комплекса цитокина с рецептором и расщепление его в эндосомах. Сама по себе интернализация этого комплекса к передаче сигнала отношения не имеет. Она необходима для утилизации цитокина, предотвращающей его накопление в месте активации клеток-продуцентов. Большую роль в регуляции этих процессов играет сродство рецептора к цитокину. Только при достаточно высокой степени сродства (порядка 10-10 М) генерируется сигнал и происходит поглощение комплекса цитокина с рецептором.

Индукция сигнала начинается с аутокаталитического фосфорилирования связанных с рецептором Jak-киназ, запускаемого конформационными измененями рецептора, которые происходят в результате его взаимодействия с цитокином. Активированные Jak-киназы фосфорилируют цитоплазматические факторы STAT (Signal transducers and activators of transcription), присутствующие в цитоплазме в неактивной мономерной форме.

Фосфорилированные мономеры приобретают сродство друг к другу и димеризуются. Димеры STAT перемещаются в ядро и выступают в качестве транскрипционных факторов, связываясь с промоторными участками генов-мишеней. При действии провоспалительных цитокинов активируются гены молекул адгезии, самих цитокинов, ферментов окислительного метаболизма и др. При действии факторов, вызывающих пролиферацию клеток, происходит индукция генов, ответственных за прохождение клеточного цикла и т.д.

Jak/STAT-опосредованный путь передачи сигналов от цитокинов -- основной, но не единственный. С рецептором связаны не только Jak-киназы, но и киназы семейства Src, а также PI3K. Их активация запускает дополнительные сигнальные пути, приводящие к активации АР-1 и других транскрипционных факторов. Активируемые транскрипционные факторы участвуют не только в передаче сигнала от цитокинов, но и в других сигнальных путях.

Существуют сигнальные пути, участвующие в контроле биологических эффектов цитокинов. Такие пути связаны с факторами группы SOCS (Suppressors of cytokine signaling), содержащей фактор SIC и 7 факторов SOCS (SOCS-1 -- SOCS-7). Включение этих факторов происходит при активации цитокиновых сигнальных путей, что приводит к образованию петли отрицательной обратной связи. Факторы SOCS содержат домен SH2, участвующий в реализации одного из следующих процессов:

• · прямого ингибирования Jak-киназ в результате связывания с ними и индукции их дефосфорилирования;
• · конкуренции с факторами STAT за связывание с цитоплазматической частью цитокиновых рецепторов;
• · ускорения деградации сигнальных белков по убиквитиновому пути.

Выключение генов SOCS приводит к нарушению баланса цитокинов с преобладанием синтеза IFNг и сопутствующей этому лимфопенией и усилением апоптоза.

Особенности функционирования системы цитокинов. Цитокиновая сеть.

Из сказанного выше следует, что при активации клеток чужеродными агентами (носителями PAMP при активации миелоидных клеток и антигенами при активации лимфоцитов) индуцируется (или усиливается до функционально значимого уровня) как синтез цитокинов, так и экспрессия их рецепторов. Это создает условия для локального проявления эффектов цитокинов. Действительно, если один и тот же фактор активирует и клетки-продуценты цитокинов, и клетки-мишени, создаются оптимальные условия для локального проявления функций этих факторов.

Обычно цитокины связываются, подвергаются интернализации и расщеплению клеткой-мишенью, практически не диффундируя от секретируемых клеток-продуцентов. Нередко цитокины бывают трансмембранными молекулами (например, IL-1б и TNFб) или представляются клеткам-мишеням в связанном с пептидогликанами межклеточного матрикса состоянии (IL-7 и ряд других цитокинов), что также способствует локальному характеру их действия.

В норме цитокины если и содержатся в сыворотке крови, то в концентрациях, недостаточных для проявления их биологических эффектов. Далее на примере воспаления мы рассмотрим ситуации, в которых цитокины оказывают системное действие. Однако эти случаи всегда являются проявлением патологии, иногда очень серьезной. По-видимому, локальный характер действия цитокинов имеет для нормального функционирования организма принципиальное значение. Об этом свидетельствует высокая скорость их выведения через почки. Обычно кривая выведения цитокинов состоит из двух компонент -- быстрой и медленной. Т1/2 быстрой компоненты для IL-1в составляет 1,9 мин, для IL-2 -- 5 мин (Т1/2 медленной составляет 30-120 мин). Свойство близкодействия отличает цитокины от гормонов -- дальнодействующих факторов (поэтому утверждение «цитокины -- это гормоны иммунной системы» принципиально неверно).

Для системы цитокинов характерна избыточность. Это означает, что практически любую выполняемую конкретным цитокином функцию дублируют другие цитокины. Именно поэтому выключение отдельного цитокина, например, вследствие мутации его гена, не вызывает фатальных последствий для организма. Действительно, мутация гена конкретного цитокина практически никогда не приводит к развитию иммунодефицита.

Например, IL-2 известен как фактор роста Т-клеток; при искусственном удалении (путем генетического нокаута) кодирующего его гена существенного нарушения пролиферации Т-клеток не выявляют, однако регистрируют изменения, обусловленные дефицитом регуляторных Т-клеток. Это связано с тем, что пролиферацию Т-клеток в отсутствие IL-2 обеспечивают IL-15, IL-7, IL-4, а также комбинации нескольких цитокинов (IL-1в, IL-6, IL-12, TNFб). Точно так же дефект гена IL4 не приводит к значительным нарушениям в системе В-клеток и переключении изотипов иммуноглобулинов, поскольку сходные эффекты проявляет IL-13. В то же время некоторые цитокины не имеют функциональных аналогов. Наиболее известный пример незаменимого цитокина -- IL-7, лимфопоэтическое действие которого, по крайней мере на определенных этапах Т-лимфопоэза уникально, в связи с чем дефекты генов самого IL-7 или его рецептора приводят к развитию тяжелой комбинированной иммунной недостаточности (ТКИН).

Помимо избыточности, в системе цитокинов проявляется и другая закономерность: цитокины плейотропны (действуют на различные мишени) и полифункциональны (вызывают различные эффекты). Так, число клеток-мишеней IL-1в и TNFб с трудом поддается учету. Столь же разнообразны вызываемые ими эффекты, участвующие в формировании комплексных реакций: воспаления, некоторых этапов гемопоэза, нейротропных и других реакций.

Еще одна важная черта, свойственная системе цитокинов, -- взаимосвязь и взаимодействие цитокинов. С одной стороны, это взаимодействие заключается в том, что одни цитокины, действуя на фоне индукторов или самостоятельно, вызывают или усиливают (реже подавляют) выработку других цитокинов. Наиболее яркие примеры усиливающего действия -- активность провоспалительных цитокинов IL-1в и TNFб, усиливающих собственную выработку и образование других провоспалительных цитокинов (IL-6, IL-8, других хемокинов). IL-12 и IL-18 являются индукторами IFNг. TGFв и IL-10, наоборот, подавляют выработку различных цитокинов. IL-6 проявляет ингибирующую активность в отношении провоспалительных цитокинов, а IFNг и IL-4 взаимно подавляют выработку друг друга и цитокинов соответствующих (Th1 и Th2) групп. Взаимодействие между цитокинами проявляется и на функциональном уровне: одни цитокины усиливают или подавляют действие других цитокинов. Описаны синергизм (например, внутри группы провоспалительных цитокинов) и антагонизм цитокинов (например, между Th1- и Th2-цитокинами).

Cуммируя полученные данные, можно заключить, что ни один из цитокинов не существует и не проявляет своей активности изолированно -- на всех уровнях цитокины испытывают влияние других представителей этого класса молекул. Результат такого многообразного взаимодействия иногда может быть неожиданным. Так, при использовании в лечебных целях высоких доз IL-2 возникают опасные для жизни побочные эффекты, некоторые из которых (например, шок, подобный токсическому, без бактериемии) удается снять антителами, направленными не против IL-2, а против TNFб.

Наличие множественных перекрестных взаимодействий в системе цитокинов послужило причиной создания понятия «цитокиновая сеть», достаточно четко отражающего суть явления.

Для цитокиновой сети характерны следующие свойства:

• · индуцибельность синтеза цитокинов и экспрессии их рецепторов;
• · локальность действия, обусловленная скоординированной экспрессией цитокинов и их рецепторов под влиянием одного и того же индуктора;
• · избыточность, объясняющаяся перекрыванием спектров действия разных цитокинов;
• · взаимосвязи и взаимодействие, проявляющиеся на уровне синтеза и реализации функций цитокинов.

Цитокиновая регуляция функций клеток-мишеней осуществляется с помощью аутокринного, паракринного или эндокринного механизмов. Некоторые цитокины (ИЛ-1, ИЛ-6, ФНОб и др.) способны участвовать в реализации всех перечисленных механизмов.

Ответ клетки на влияние цитокина зависит от нескольких факторов:

• · от типа клеток и их исходной функциональной активности;
• · от локальной концентрации цитокина;
• · от присутствия других медиаторных молекул.

Таким образом, клетки-продуценты, цитокины и специфические для них рецепторы на клетках мишенях формируют единую медиаторную сеть. Именно набор регуляторных пептидов, а не индивидуальные цитокины, определяют окончательный ответ клетки. В настоящее время система цитокинов рассматривается как универсальная система регуляции на уровне целостного организма, обеспечивающая развитие защитных реакций (например, при инфекции).

В последние годы сложилось представление о системе цитокинов, объединяющей:

• 1) клетки-продуценты;
• 2) растворимые цитокины и их антагонисты;
• 3) клетки-мишени и их рецепторы.

Нарушения различных компонентов системы цитокинов приводят к развитию многочисленных патологических процессов, а потому выявление дефектов в этой регуляторной системе имеет важное значение для правильной постановки диагноза и назначения адекватной терапии.

Основные компоненты системы цитокинов.

Клетки-продуценты цитокинов

I. Основную группу клеток-продуцентов цитокинов в адаптивном иммунном ответе представляют лимфоциты. Покоящиеся клетки не секретируют цитокины. При распознавании антигена и при участии рецепторных взаимодействий (CD28-CD80/86 для Т-лимфоцитов и СD40-CD40L для В-лимфоцитов) происходит активация клеток, приводящая к транскрипции генов цитокинов, трансляции и секреции гликозилированных пептидов в межклеточное пространство.

CD4 Т-хелперы представлены субпопуляциями: Тh0, Тh1, Тh2, Тh17, Tfh, которые различаются между собой спектром секретируемых цитокинов в ответ на различные антигены.

Тh0 вырабатывают широкий спектр цитокинов в очень низких концентрациях.

Направление дифференцировки Th0 определяет развитие двух форм иммунного ответа с преобладанием гуморальных или клеточных механизмов.

Природа антигена, его концентрация, локализация в клетке, тип антигенпрезентирующих клеток и определенный набор цитокинов регулируют направление дифференцировки Тh0.

Дендритные клетки после захвата и процессинга антигена представляют антигенные пептиды Th0 клеткам и вырабатывают цитокины, регулирующие направление их дифференцировки в эффекторные клетки. ИЛ-12 индуцирует синтез ИФНг Т-лимфоцитами и ]ЧГК. ИФНу обеспечивает дифференцировку ТЫ1, которые начинают секретировать цитокины (ИЛ-2, ИФНу, ИЛ-3, ФНОа, лимфотоксины), регулирующие развитие реакций на внутриклеточные патогены (гиперчувствительности замедленного типа (ГЗТ) и различные типы клеточной цитотоксичности).

ИЛ-4 обеспечивает дифференцировку Тh0 в Тh2. Активированные Тh2 вырабатывают цитокины (ИЛ-4, ИЛ-5, ИЛ-6, ИЛ-13 и др.), определяющие пролиферацию В-лимфоцитов, их дальнейшую дифференцировку в плазматические клетки и развитие реакций антителогенеза, преимущественно на внеклеточные патогены.

ИФНг негативно регулирует функцию Тh2-клеток и, наоборот, ИЛ-4, ИЛ-10, секретируемые Тh2, угнетают функцию Тh1. Молекулярный механизм этой регуляции связан с транскрипционными факторами. Экспрессия Т-bet и STAT4, детерминированная ИФНу, направляет дифференцировку Т-клеток по пути Тh1 и супрессирует развитие Тh2. ИЛ-4 индуцирует экспрессию GATA-3 и STAT6, что соответственно обеспечивает превращение наивных Тh0 в Тh2-клетки.

В последние годы описана особая субпопуляция Т-клеток хелперов (Тh17), продуцирующих ИЛ-17. Члены семейства ИЛ-17 могут экспрессироваться активированными клетками памяти (CD4CD45RO), у5Т-клетками, NKT клетками, нейтрофилами, моноцитами под влиянием ИЛ-23, ИЛ-6, ТФРв, вырабатываемых макрофагами и дендритными клетками. Основным дифференцировочным фактором у человека является ROR-C, у мышей - ROR-гl. Показана кардинальная роль ИЛ-17 в развитии хронического воспаления и аутоиммунной патологии.

Кроме того, Т-лимфоциты в тимусе могут дифференцироваться в естественные клетки-регуляторы (Treg), экспрессирующие поверхностные маркеры CD4+ CD25+ и транскрипционный фактор FOXP3. Эти клетки способны подавлять иммунный ответ, опосредуемый Тh1 и Тh2-клетками, путем прямого межклеточного контакта и синтеза ТФРв и ИЛ-10.

Т-цитотоксические клетки (CD8+), естественные киллеры - слабые продуценты цитокинов, таких, как интерфероны, ФНОа и лимфотоксины.

Избыточная активация одной из субпопуляций Тh может определить развитие одного из вариантов иммунного ответа. Хроническая несбалансированность активации Тh способна привести к формированию иммунопатологических состояний, связанных с проявлениями аллергии, аутоиммунной патологии, хронических воспалительных процессов и др.

II. В системе врожденного иммунитета основными продуцентами цитокинов являются клетки миелоидного ряда. С помощью Toll-по- добных рецепторов (TLRs) они распознают сходные молекулярные структуры различных патогенов, так называемые патогенассоциированные молекулярные патерны (РАМП), например, липополисахарид (ЛПС) грамотрицательных бактерий, липотейхоевые кислоты, пептидогликаны грамположительных микроорганизмов, флагеллин, ДНК, богатую неметилированными СрG повторами, и др. В результате такого взаимодействия с TLR запускается внутриклеточный каскад передачи сигнала, приводящий к экспрессии генов двух основных групп цитокинов: провоспалительных и ИФН типа 1. Главным образом эти цитокины (ИЛ-1, -6, -8, -12, ФНОа, ГМ-КСФ, ИФН, хемокины и др.) индуцируют развитие воспаления и участвуют в защите организма от бактериальных и вирусных инфекций.

III. Клетки, не относящиеся к иммунной системе (клетки соединительной ткани, эпителия, эндотелия), конститутивно секретируют аутокринные факторы роста (ФРФ, ЕФР, ТФРр и др.). и цитокины, поддерживающие пролиферацию гемопоэтических клеток.

Избыточная экспрессия цитокинов небезопасна для организма и может привести к развитию чрезмерной воспалительной реакции, острофазового ответа. В регуляции выработки провоспалительных цитокинов принимают участие различные ингибиторы. Так, описан ряд веществ, которые неспецифически связывают цитокин ИЛ-1 и препятствуют проявлению его биологического действия (а2-макроглобулин, С3-компонент комплемента, уромодулин). Специфическими ингибиторами ИЛ-1 могут быть растворимые рецепторы-ловушки, антитела и рецепторный антагонист ИЛ-1 (ИЛ-1RA). При развитии воспаления происходит усиление экспрессии гена ИЛ-1RA. Но и в норме этот антагонист присутствует в крови в высокой концентрации (до 1 нг/мл и более), блокируя действие эндогенного ИЛ-1.

Клетки-мишени

Действие цитокинов на клетки-мишени опосредуются через специфические рецепторы, связывающие цитокины с очень высокой аффинностью, причем отдельные цитокины могут использовать общие субъединицы рецепторов. Каждый цитокин связывается со своим специфическим рецептором.

Рецепторы цитокинов представляют собой трансмембранные белки и делятся на 5 основных типов. Наиболее распространен так называемый гемопоэтиновый тип рецепторов, имеющих два экстраклеточных домена, один из которых содержит общую последовательность аминокислотных остатков двух повторов триптофана и серина, разделенных любой аминокислотой (WSXWS-мотив). Второй тип рецепторов может иметь два внеклеточных домена с большим количеством консервативных цистеинов. Это рецепторы семейства ИЛ-10 и ИФН. Tретий тип представлен рецепторами цитокинов, относящихся к группе ФНО. Четвертый тип рецепторов цитокинов принадлежит к суперсемейству иммуноглобулиновых рецепторов, имеющих внеклеточные домены, напоминающие по строению домены молекул иммуноглобулинов. Пятый тип рецепторов, связывающих молекулы семейства хемокинов, представлен трансмембранными белками, пересекающими клеточную мембрану в 7 местах. Рецепторы цитокинов могут существовать в растворимой форме, сохраняя способность связывать лиганды.

Цитокины способны влиять на пролиферацию, дифференцировку, функциональную активность и апоптоз клеток-мишеней. Проявление биологической активности цитокинов в клетках-мишенях зависит от участия различных внутриклеточных систем в передаче сигнала от рецептора, что связано с особенностями клеток-мишеней. Сигнал к апоптозу проводится в том числе с помощью специфического участка семейства рецепторов ФНО, так называемого домена «смерти». Дифференцировочный и активирующий сигналы передаются посредством внутриклеточных белков Jak-STAT - сигнальных трансдукторов и активаторов транскрипции. G-белки участвуют в передаче сигнала от хемокинов, что приводит к усилению миграции и адгезии клеток.

Последний компонент - цитокины и их антагонисты, были описаны выше.

К цитокинам относятся разнообразные белки с молекулярной массой 15-40 кДа, которые синтезируются различными клетками в организме. Цитокины – это молекулы, обеспечивающие взаимодействие клеток иммунной системы, эндотелия сосудов, нервной системы, печени. В настоящее время известно более 200 цитокинов.

Одинаковые цитокины могут синтезироваться клетками разных типов – иммунной системы, селезенки, тимуса, соединительной ткани. С другой стороны, конкретная клетка способна образовывать множество различных цитокинов. Наибольшее разнообразие цитокинов образуется лимфоцитами, благодаря этому происходит взаимодействие лимфоцитарного иммунитета с другими иммунными механизмами и с организмом в целом.

Существенной особенностью цитокинов, в отличие от гормонов и других сигнальных молекул, является одинаковый, разный или даже противоположный результат их воздействия для разных клеток. Т.е. конечный результат воздействия цитокина зависит не от его типа, а от внутренней программы клетки-мишени, от ее индивидуальных задач!

Функции цитокинов

Роль цитокинов в регуляции функций организма может быть разделена на 4 основные составляющие:

1. Регуляция эмбриогенеза, закладки и развития органов, в том числе органов иммунной системы.

2. Регуляция процессов роста тканей:

3. Регуляция отдельных физиологических функций:

• обеспечение функциональной активности клеток,
• согласованность реакций эндокринной, иммунной и нервной систем,
• поддержание гомеостаза (динамического постоянства) организма.

4. Регуляция защитных реакций организма на местном и системном уровне:

• изменение продолжительности и интенсивности иммунных реакций (противоопухолевая и противовирусная защита организма),
• модулирование воспалительных реакций,
• участие в развитии аутоиммунных реакций.
• стимуляция или подавление роста клеток,
• участие в процессе кроветворения.

И иммунорегуляции , которые секретируются неэндокринными клетками (в основном, иммунными) и оказывают местное воздействие на соседние клетки-мишени.

Цитокины регулируют межклеточные и межсистемные взаимодействия, определяют выживаемость клеток, стимуляцию или подавление их роста, дифференциацию, функциональную активность и апоптоз, а также обеспечивают согласованность действия иммунной, эндокринной и нервной систем на клеточном уровне в нормальных условиях и в ответ на патологические воздействия.

Важная особенность цитокинов, отличающая их от других биолигандов, заключается в том, что они не производятся "в запас", не депонируются, не циркулируют долго по кровеносной системе, а производятся "по требованию", живут короткое время и оказывают местное воздействие на ближайшие клетки-мишени.

Цитокины вместе с продуцирующими их клетками образуют «микроэндокринную систему» , которая обеспечивает взаимодействие клеток иммунной, кроветворной, нервной и эндокринной систем. Образно можно сказать, что с помощью цитокинов клетки иммунной системы общаются друг с другом и с остальными клетками организма, передавая от цитокин-продуцирующих клеток команды на изменение состояния клеток-мишеней. И с этой точки зрения цитокины можно назвать для иммунносй системы «цитотрансмиттерами», «цитомедиаторами» или «цитомодуляторами» по аналогии с нейротрансмиттерами, нейромедиаторами и нейромодуляторами нервной системы.

Термин "цитокины" был предложен S. Cohen в 1974 году.

Цитокины вместе с факторами роста относятся к гистогормонам (тканевым гормонам) .

Функции цитокинов

1. Провоспалительные, т.е. способствующие воспалительному процессу.

2. Противовоспалительные, т.е. тормозящие воспалительный процесс.

3. Ростовые.

4. Дифференцировочные.

5. Регуляторные.

6. Активирующие.

Виды цитокинов

1. Интерлейкины (ИЛ) и фактор некроза опухолей (ФНО)
2. Интерфероны.
3. Малые цитокины.
4. Колониестимулирующие факторы (КСФ).

Функциональная классификация цитокинов

1. Провоспалительные, обеспечивающие мобилизацию воспалительного ответа (интерлейкины 1,2,6,8, ФНОα, интерферон γ).
2. Противовоспалительные, ограничивающие развитие воспаления (интерлейкины 4,10, TGFβ).
3. Регуляторы клеточного и гуморального иммунитета (естественного или специфического), обладающие собственными эффекторными функциями (противовирусными, цитотоксическими).

Механизм действия цитокинов

Цитокины выделяются активированной цитокин-продуцирующей клеткой и взаимодействуют с рецепторами клеток-мишеней, находящихся рядом с ней. Таким образом, от одной клетки к другой в виде пептидного управляющего вещества (цитокина) передается сигнал, который запускает в ней дальнейшие биохимические реакции. Нетрудно заметить, что цитокины по механизму своего действия очень напоминают нейромодуляторы , но только они секретируются не нервными клетками, а иммунными и некоторыми другими .

Цитокины активны в очень малых концентрациях, их образование и секреция происходит кратковременно и строго регулируются.
Цитокинов было известно в 1995 году более 30, а в 2010 - уже более 200.

Цитокины не имеют строгой специализации: один и тот же процесс может стимулироваться в клетке-мишени разными цитокинами. Во многих случаях в действиях цитокинов наблюдается синергизм, т.е. взаимоусиление. Цитокины не имеют антигенной специфичности. Поэтому специфическая диагностика инфекционных, аутоиммунных и аллергических заболеваний с помощью определения уровня цитокинов невозможна. Но в медицине определение их концентрации в крови даёт информацию о функциональной активности различных типов иммунокомпетентных клеток; о тяжести воспалительного процесса, его переходе на системный уровень и о прогнозе заболевания.
Цитокины действуют на клетки, соединяясь с их поверхностными рецепторами. Связывание цитокина с рецептором приводит через ряд промежуточных этапов к активации соответствующих генов. Чувствительность клеток-мишеней к действию цитокинов изменяется в зависимости от количества цитокиновых рецепторов на их поверхности. Время синтеза цитокина, как правило, бывает коротким: лимитирующим фактором служит нестабильность молекул мРНК. Отдельные цитокины (например, ростовые факторы) продуцируются спонтанно, но большинство цитокинов секретируются индуцированно.

Синтез цитокинов индуцируется, чаще всего, микробными компонентами и продуктами (например, бактериальным эндотоксином). Кроме того, один цитокин может служить индуктором для синтеза других цитокинов. Так, например, интерлейкин-1 индуцирует продукцию интерлейкинов-6, -8, -12, чем обеспечивается каскадный характер цитокинового контроля. Для биологических эффектов цитокинов характерна полифункциональность, или плейотропность. Это означает, что один и тот же цитокин проявляет разнонаправленную биологическую активность, и в то же время одну и ту же функцию могут выполнять разные цитокины. Этим обеспечивается запас прочности и надёжность системы цитокиновой хеморегуляции. При совместном влиянии на клетки цитокины могут выступать как в качестве синергистов , так и в качестве антагонистов .

Цитокины представляют собой регуляторные пептиды, продуцируемые клетками организма. Такое широкое определение неизбежно в силу гетерогенности цитокинов, но требует дополнительных пояснений. Во-первых, к цитокинам относятся простые полипептиды, более сложные молекулы с внутренними дисульфидными связями и белки, состоящие из двух и более одинаковых либо разных субъединиц, с молекулярной массой от 5 до 50 кДа. Во-вторых, цитокины являются эндогенными медиаторами, которые могут синтезироваться практически всеми ядросодержащими клетками организма, причем гены некоторых цитокинов экспрессируются во всех без исключения клетках организма.
К системе цитокинов в настоящее время относят около 200 индивидуальных полипептидных веществ . Все они имеют ряд общих биохимических и функциональных характеристик, среди которых важнейшими считаются следующие: плейотропность и взаимозаменяемость биологического действия, отсутствие антигенной специфичности, проведение сигнала путем взаимодействия со специфическими клеточными рецепторами, формирование цитокиновой сети. В связи с этим цитокины могут быть выделены в новую самостоятельную систему регуляции функций организма, существующую наряду с нервной и гормональной регуляцией .
По-видимому, формирование системы цитокиновой регуляции эволюционно проходило вместе с развитием многоклеточных организмов и было обусловлено необходимостью образования посредников межклеточного взаимодействия, к которым могут быть причислены гормоны, нейропептиды и молекулы адгезии. Цитокины в этом плане являются наиболее универсальной системой регуляции, так как способны проявлять биологическую активность как дистантно после секреции клеткой-продуцентом (местно и системно), так и при межклеточном контакте, будучи биологически активными в виде мембранной формы. Этим система цитокинов отличается от молекул адгезии, выполняющих более узкие функции только при непосредственном контакте клеток. В то же время система цитокинов отличается от гормонов, которые в основном синтезируются специализированными органами и оказывают действие после попадания в систему циркуляции.
Цитокины оказывают плейотропные биологические эффекты на различные типы клеток, главным образом, участвуя в формировании и регуляции защитных реакций организма. Защита на местном уровне развивается путем формирования типичной воспалительной реакции после взаимодействия патогенов с паттерн-распознающими рецепторами (мембранными Toll-рецепторами) с последующим синтезом так называемых провоспалительных цитокинов. Синтезируясь в очаге воспаления, цитокины воздействуют практически на все клетки, участвующие в развитии воспаления, включая гранулоциты, макрофаги, фибробласты, клетки эндотелия и эпителиев, а затем на Т- и В-лимфоциты.

В рамках иммунной системы цитокины осуществляют взаимосвязь между неспецифическими защитными реакциями и специфическим иммунитетом, действуя в обоих направлениях. Примером цитокиновой регуляции специфического иммунитета служит дифференцировка и поддержание баланса между Т-лимфоцитами хелперами 1-го и 2-го типов. В случае несостоятельности местных защитных реакций цитокины попадают в циркуляцию, и их действие проявляется на системном уровне, что приводит к развитию острофазового ответа на уровне организма. При этом цитокины оказывают влияние практически на все органы и системы, участвующие в регуляции гомеостаза. Действие цитокинов на ЦНС приводит к изменению всего комплекса поведенческих реакций, меняется синтез большинства гормонов, острофазовых белков в печени, экспрессия генов ростовых и дифференцировочных факторов, изменяется ионный состав плазмы. Однако ни одно из происходящих изменений не носит случайного характера: все они либо нужны для непосредственной активации защитных реакций, либо выгодны в плане переключения энергетических потоков для одной лишь задачи - борьбы с внедрившимся патогеном. На уровне организма цитокины осуществляют связь между иммунной, нервной, эндокринной, кроветворной и другими системами и служат для их вовлечения в организацию и регуляцию единой защитной реакции. Цитокины как раз и служат той организующей системой, которая формирует и регулирует весь комплекс патофизиологических сдвигов при внедрении патогенов.
В последние годы выяснилось, что регуляторная роль цитокинов в организме не ограничивается только иммунным ответом и может быть разделена на четыре основных составляющих:
Регуляция эмбриогенеза, закладки и развития ряда органов, в том числе органов иммунной системы.
Регуляция отдельных нормальных физиологических функций, например нормального кроветворения.
Регуляция защитных реакций организма на местном и системном уровне.
Регуляция процессов регенерации для восстановления поврежденных тканей.
К цитокинам относят интерфероны, колониестимулирующие факторы (КСФ), хемокины, трансформирующие ростовые факторы; фактор некроза опухолей; интерлейкины со сложившимися исторически порядковыми номерами и некоторые другие. Интерлейкины, имеющие порядковые номера, начиная с 1, не относятся к одной подгруппе цитокинов, связанных общностью функций. Они в свою очередь могут быть разделены на провоспалительные цитокины, ростовые и дифференцировочные факторы лимфоцитов, отдельные регуляторные цитокины. Название "интерлейкин" присваивается вновь открытому медиатору в том случае, если соблюдены следующие критерии, выработанные номенклатурным комитетом Международного союза иммунологических обществ: молекулярное клонирование и экспрессия гена изучаемого фактора, наличие уникальной нуклеотидной и соответствующей ей аминокислотной последовательности, получение нейтрализующих моноклональных антител . Кроме того, новая молекула должна продуцироваться клетками иммунной системы (лимфоцитами, моноцитами или другими типами лейкоцитов), иметь важную биологическую функцию в регуляции иммунного ответа, а также дополнительные функции, из-за чего ей не может быть дано функциональное название. Наконец, перечисленные свойства нового интерлейкина должны быть опубликованы в рецензируемом научном издании.
Классификация цитокинов может проводиться по их биохимическим и биологическим свойствам, а также по типам рецепторов, посредством которых цитокины осуществляют свои биологические функции. Классификация цитокинов по строению (табл. 1) учитывает не только аминокислотную последовательность, но прежде всего третичную структуру белка, более точно отражающую эволюционное происхождение молекул .

5991 0

Иммунная система регулируется растворимыми медиаторами, которые называются цитокинами. Эти белки низкой молекулярной массы продуцируются фактически всеми клетками врожденной и адаптивной иммунной систем и в особенности CD4+-Т-клетками, которые регулируют многие эффекторные механизмы. Важным функциональным свойством цитокинов является регуляция развития и поведения клеток-эффекторов иммунной системы.

Некоторые цитокины непосредственно влияют на синтез и работу других цитокинов. Чтобы проще представить, как работают цитокины, сравним их с гормонами - химическими посредниками эндокринной системы. Цитокины служат химическими медиаторами в пределах иммунной системы , хотя также взаимодействуют с определенными клетками других систем, включая нервную. Таким образом, они участвуют в поддержании гомеостаза.

При этом они играют значительную роль в управлении гиперчувствительностью и воспалительным ответом и в некоторых случаях могут способствовать развитию острого или хронического повреждения тканей и органов.

Регулируемые определенным цитокином, должны экспрессировать рецептор к этому фактору. Позитивная и/или негативная регуляция клеточной активности зависит от количества и типа цитокинов, к которым чувствительна клетка, а также от повышения или снижения экспрессии цитокиновых рецепторов. В норме в регуляции врожденных и приобретенных иммунных ответов задействован комплекс этих методов.

История цитокинов

Активность цитокинов открыли в конце 1960 г. Первоначально предполагали, что они служат факторами амплификации, действующими антигензависимо, повышая пролиферативные ответы Т-клеток И.Джери (l.Gery) и соавторы впервые показали, что макрофаги высвобождали митогенный фактор тимоцитов, названный ими лимфоцитактивирующим фактором (LAF) . Этот взгляд радикально изменился, когда обнаружили, что надосадочная жидкость мононуклеаров периферической крови, стимулированных митогеном, вызывает длительную пролиферацию Т-клеток в отсутствие антигенов и митогенов.

Вскоре после этого выяснилось, что для изоляции и клональной экспансии линий функциональных Т-клеток может использоваться фактор, продуцируемый самими Т-клетками. Этому фактору, полученному из Т-клеток, разные исследователи давали разные названия; наиболее известное среди них - Т-клеточный фактор роста (TCGF) . Цитокины, продуцируемые лимфоцитами, назвали лимфокинами, а продуцируемые моноцитами и макрофагами - монокинами.

Результаты исследования клеточного источника лимфокинов и монокинов, в конечном счете, выявили, что эти факторы не были продуктами исключительно лимфоцитов или моноцитов/макрофагов, что осложнило понимание вопроса. Таким образом, как общее название этих гликопротеиновых медиаторов был принят термин «цитокин».

В связи с необходимостью выработки соглашения, регулирующего определение факторов, полученных из макрофагов и Т-клеток, в 1979 г. была создана международная рабочая группа, которая занималась разработкой их номенклатуры. Поскольку цитокины передавали сигнал от лейкоцита к лейкоциту, был предложен термин «интерлейкин» (IL). Макрофагальному фактору LAF и Т-клеточному фактору роста дали названия ин-терлейкин-1 (IL-1) и интерлейкин-2 (IL-2) соответственно. На сегодняшний день исследовано 29 интерлейкинов, и число их будет, несомненно, возрастать, поскольку продолжаются попытки идентифицировать новых представителей этого семейства цитокинов.

По мере приобретения новых знаний о функциональных свойствах цитокинов в термины, первоначально предназначенные для определения их функций, стали вкладывать более широкий смысл. Об этом свидетельствует и то, что терминология, принятая в 1979 г., устаревает. Хорошо известно, что многие интерлейкины оказывают важные биологические эффекты на клетки, не принадлежащие иммунной системе. Например, IL-2 не только активирует Т-клеточную пролиферацию, но и стимулирует остеобласты - клетки, формирующие кость.

Трансформирующий фактор роста β (TGFβ) также действует на клетки разных типов, в том числе фибробласты соединительной ткани, Т- и В-лимфоциты. Таким образом, цитокины в основном обладают плейотропными свойствами, поскольку они могут влиять на активность множества разных клеточных типов. Кроме того, среди цитокинов выражена избыточность функций, что доказывается, например, способностью активировать рост, выживаемость и дифференцировку В- и Т-клеток более чем одним цитокином (например, и IL-2, и IL-4 могут функционировать как Т-клеточные факторы роста). Этот избыток частично объясняется использованием общих сигнальных субъединиц цитокинового рецептора определенными группами цитокинов.

В конечном счете, цитокины редко, если вообще когда-нибудь, действуют в организме в одиночку. Таким образом, клетки-мишени восприимчивы к окружению, содержащему цитокины, которые часто проявляют аддитивные, синергитические или антагонистические свойства. В случае синергизма совместное действие двух цитокинов вызывает более выраженный эффект, чем сумма эффектов отдельных цитокинов. И наоборот, когда один цитокин ингибирует биологическую активность другого, говорят об их антагонизме.

С 1970 г. знания о цитокинах быстро увеличиваются благодаря их идентификации, определению функциональных характеристик и молекулярному клонированию. Удобная номенклатура, разработанная ранее на основании клеточных источников или функциональной активности определенных цитокинов, не была широко поддержана. Тем не менее время от времени по мере нахождения общих функциональных черт нескольких гликопротеинов вводятся дополнительные термины, определяющие это семейство цитокинов.

В частности, термин «хемокины», принятый в 1992 г., определяет семейство близкородственных хемотаксических цитокинов, имеющих консервативные последовательности и являющихся мощными аттрактантами для разных популяций лейкоцитов, таких как лимфоциты, нейтрофилы и моноциты. Для студентов-иммунологов изучение быстро расширяющегося списка цитокинов с разнообразными функциональными характеристиками может представлять значительные трудности. Однако достаточно сосредоточиться на отдельных заслуживающих особого внимания цитокинах, что будет интересной и посильной задачей.

Общие свойства цитокинов

Общие функциональные свойства

Цитокины обладают некоторыми общими функциональными чертами. Некоторые, такие как интерферон-у (IFNy) и IL-2, синтезируются клетками и быстро секретируются. Другие, такие как фактор некроза опухоли a (TNFα) и TNFβ, могут секретироваться или экспрессироваться как белки, связанные с мембранами. У большинства цитокинов очень короткий период полураспада; следовательно, синтез цитокинов и их функционирование обычно происходят импульсивно.

Рис. 11.1. Аутокринные, паракринные и эндокринные свойства цитокинов. Например, головной мозг отвечает на воздействие цитокинов как на эндокринное воздействие

Подобно полипептидным гормонам цитокины обеспечивают взаимосвязь между клетками в очень низких концентрациях (обычно от 10-10 до 10-15 М). Цитокины могут действовать локально и на ту клетку, которая их секретировала (аутокринно), и на другие близко расположенные клетки (паракринно); более того, они могут действовать системно, как гормоны (эндокринно) (рис. 11.1). Так же, как и другие полипептидные гормоны, цитокины проявляют свои функции, связываясь со специфичными рецепторами на клетках-мишенях. При этом клетки, регулируемые определенными цитокинами, должны экспрессировать рецептор для данного фактора.

Таким образом, активность отвечающих клеток может регулироваться количеством и типом цитокинов, к которым они чувствительны, или повышением/понижением экспрессии цитокиновых рецепторов, которые сами могут регулироваться другими цитокинами. Хорошим примером последнего положения служит способность IL-1 повышать экспрессию рецепторов для IL-2 на Т-клетках. Как отмечено ранее, это иллюстрирует одну общую черту цитокинов, а именно, их способность совместно действовать, создавая эффект синергизма, что усиливает их воздействие на единичную клетку.

При этом некоторые цитокины находятся в антагонистических отношениях с одним или более цитокином и таким образом ингибируют действие друг друга на данную клетку. Например, цитокины, секретируемые Т-хелперами (Тн1)-секретируют IFNy, который активирует макрофаги, ингибирует В-клетки и непосредственно токсичен для определенных клеток. Тн2-клетки секретируют IL- 4 и IL-5, которые активируют В-клетки и IL-10, который в свою очередь ингибирует активацию макрофагов (рис. 11.2).

Рис. 11.2. Цитокины, продуцируемые Тн1- иТн2-клетками

Когда клетки продуцируют цитокины или хемокины в ответ на различные стимулы (т.е. инфекционные агенты), те создают градиент концентрации, который позволяет контролировать или направлять клеточную миграцию, также называемую хемотаксисом (рис. 11.3). Клеточная миграция (т.е. хемотаксис нейтрофилов) необходима для развития воспалительных реакций, возникающих вследствие локального проникновения микроорганизмов или другой травмы.

Рис. 11.3. Стадии хемотаксиса нейтрофилов (обратимое связывание, последующая активация, адгезия) и трансэндотелиальная миграция (продвижение между эндотелиальными клетками, формирующими стенку кровеносного сосуда, экстравазация)

Хемокины играют ключевую роль в обеспечении сигналов, которые повышают экспрессию адгезионных молекул, экспрессируемых на эндотелиальных клетках для обеспечения хемотаксиса нейтрофилов и трансэндотелиальной миграции.

Общая системная активность

Цитокины могут действовать непосредственно в месте секреции и отдаленно, вплоть до системных эффектов. Таким образом, они играют решающую роль в усилении иммунного ответа, поскольку высвобождение цитокинов из всего лишь нескольких клеток, активированных антигеном, приводит к активации множества клеток различных типов, которые необязательно являются антигенспецифичными или находятся непосредственно в данной области. Особенно ярко это проявляется в реакциях ГЗТ, при которых активация редких антигенспецифичных Т-клеток сопровождается высвобождением цитокинов. Как следствие действия цитокинов в эту зону моноциты привлекаются в большом количестве, значительно превышающем изначально активированную Т-клеточную популяцию.

Также необходимо отметить, что продукция высоких концентраций цитокинов под влиянием мощных стимулов может запускать разрушительные системные эффекты, такие как синдром токсического шока, обсуждаемый далее в этой главе. Применение рекомбинантных цитокинов или антагонистов цитокинов, способных воздействовать на разные физиологические системы, обеспечивает возможность терапевтической коррекции иммунной системы, основанной на спектре биологической активности, которая связана с данным цитокином.

Общие клеточные источники и каскадность событий

Определенная клетка может продуцировать множество различных цитокинов. Более того, одна клетка может быть мишенью для многих цитокинов, каждый из которых связывается со своими специфичными рецепторами на клеточной поверхности. Следовательно, один цитокин может влиять на действие другого, что может привести к аддитивному, синергетическому или антагонистическому действию на клетку-мишень.

Взаимодействия множества цитокинов, выделяемых при типичном иммунном ответе, обычно называют цитокиновым каскадом. В основном именно этот каскад определяет, будет ли ответ на антиген преимущественно антитело-опосредованным (и если так, какие классы антител будут синтезироваться) или клеточноопосредованным (и если так, то какие клетки будут активироваться - обладающие цитотоксическим действием или участвующие в ГЗТ). Механизмы контроля, также опосредованные цитокинами, которые помогают определить набор цитокинов, выделяющихся после активации СD4+-Т-клеток.

Похоже, что в инициации цитокинового ответа этих клеток ведущую роль играет стимуляция антигеном. Таким образом, в зависимости от природы антигенного сигнала и набора цитокинов, связанных с активацией Т-клетки, наивная эффекторная СD4+-Т-клетка будет приобретать определенный цитокиновый профиль, который однозначно определит тип формируемого иммунного ответа (опосредованный антителами или клетками). Цитокиновый каскад, связанный с типами иммунного ответа, также определяет, какие еще системы активируются или угнетаются, а также выраженность и продолжительность иммунного ответа.

Общие рецепторные молекулы

Цитокины обычно обладают перекрывающимися, избыточными функциями: например, и IL-1, и IL-6 вызывают лихорадку и еще несколько общих биологических феноменов. Вместе с тем эти цитокины обладают и уникальными свойствами. Как будет обсуждаться далее, некоторые цитокины для распространения своего действия на клетки-мишени используют рецепторы, состоящие из нескольких полипептидных цепей, причем некоторые из этих рецепторов обладают по меньшей мере одной общей рецепторной молекулой , которую называют общей у-цепью (рис. 11.4). Общая у-цепь является внутриклеточной сигнальной молекулой. Эти данные помогают объяснить наличие перекрывающихся функций у разных цитокинов.

Рис. 11.4. Структурные характеристики членов семейства цитокиновых рецепторов I класса. Одинаковая у всех ү-цепь (зеленая) передает сигнал внутрь клетки

Р.Койко, Д.Саншайн, Э.Бенджамини

«Система цитокинов. Классификация. Основные
свойства. Механизмы действия. Типы цитокиновой
регуляции. Клетки-продуценты и клетки-мишени.
Цитокиновая регуляция воспаления и иммунного
ответа».
Цикл 1 – иммунология.
Занятие № 3 а.

Цитокины

Сигнальные (биорегуляторные) молекулы,
управляющие практически всеми процессами в
организме – эмбриогенезом, гемопоэзом,
процессами созревания и дифференцировки
клеток, активации и гибели клеток, инициацией и
поддержанием разных типов иммунного ответа,
развитием воспаления, процессами репарации,
ремоделирования тканей, координацией работы
иммуно – нейро - эндокринной систем на уровне
организма в целом.

Цитокины

Растворимые гликопротеины (более 1300 молекул, 550 кDa) неиммуноглобулиновой природы,
освобождаемые клетками организма – хозяина,
обладающие неферментативным действием в низких
концентрациях (от пикомолярных до наномолярных),
действующие через специфические рецепторы на
клетках-мишенях, регулирующие различные функции
клеток организма.
В настоящее время известно около 200 цитокинов.

Цитокины и жизненный цикл
клеток
Цитокины –биорегуляторные
молекулы, контролирующие
разные этапы жизненного цикла
клеток:
процессы дифференцировки.
процессы пролиферации.
процессы функциональной
активации.
процессы гибели клеток.
Цитокины и иммунный ответ
Цитокины играют важную роль в
осуществлении реакций как
врожденного, так и
адаптивного иммунитета.
Цитокины обеспечивают
взаимосвязь врожденного и
адаптивного иммунных
ответов.

Свойства цитокинов

Характерен короткий период
полужизни:
цитокины быстро
инактивируются и
разрушаются.
Большинство из цитокинов
действует на местном уровне
(паракринно – на клетки
микроокружения).
Цитокинов больше, чем их
рецепторов (многие цитокины
используют общие
субъединицы рецепторов) на
клетках-мишенях для
передачи сигналов в ядро
клетки-мишени
Плейотропность – единственная
молекула может вызывать
множество эффектов путем
активации различных генов в
клетках-мишенях
Конвергенция функций – разные
цитокиновые молекулы могут
выполнять в организме
сходные функции
Полисферизм – множество
цитокинов могут
продуцироваться одной и той
же клеткой в ответ на один
стимул

Плейотропность цитокинов на примере интерферона-гамма

гранулоциты
эндотелий
активация
активация
Секреция
интерферонагамма
макрофаги
активация
NK
активация
многие типы клеток
повышение
противовирусной
активности
активация Т клеток
многие типы клеток
дифференцировка
В клеток
индукция экспрессии
MHC I или MHCII

Типы цитокиновой регуляции

Паракринная регуляция (в
большинстве случаев
цитокины действуют местно,
в очаге воспаления).
Аутокринная регуляция –
цитокин производится
клеткой, к нему клеткапроизводитель данного
цитокина экспрессирует
рецепторы, вследствие этого
цитокин действует на клетку,
его производящую.
Эндокринная регуляция –
отставленное действие:
интерлейкин 1 –бета –
эндогенный пироген
(действует на центр
терморегуляции в головном
мозге),
интерлейкин 6 действует на
гепатоциты, вызывая синтез
белков острой фазы,
ростовые факторы
действуют на костный мозг,
активируют гемопоэз и т.д.

10. Представление о системе цитокинов в клинической практике

Для клинической практики важно
отследить основную цепь
взаимодействий в
иммунопатогенезе
заболеваний:
1. Клетки- продуценты
цитокинов.
2. Цитокины и их антагонисты.
3. Клетки-мишени,
экспрессирующие рецепторы
цитокинов.
4. Производимые цитокинами
эффекты на уровне организма.
Цель: разработка и внедрение в
практику новых стратегий
терапии заболеваний:
цитокиновая терапия
(применение в клинике
препаратов цитокинов),
либо
антицитокиновая терапия
(применение в клинике
антагонистов цитокинов или
моноклональных антител к
цитокинам).

11. Основные типы цитокинов –общепринятые сокращения: интерлейкины

В более ранних
классификациях цитокинов
использовалось их деление
по принципу клеток,
синтезирующих цитокины:
лимфокины (цитокины,
секретируемые в основном
активированными Т
лимфоцитами –хелперами)
и
монокины (цитокины,
секретируемые клетками
моноцитарномакрофагал.ьного ряда)
Такой подход не всегда оправдан,
так как для цитокинов
характерно частичное
перекрывание функций.
Вследствие этого был введен
единый термин «интерлейкины»
IL (или ИЛ):
1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,1
5,16,17 …..35
Термин «интерлейкины» означает
«молекулы, участвующие во
взаимоотношениях, «беседах»
между лейкоцитами».

12. Основные типы цитокинов –общепринятые сокращения:

факторы некроза опухолей
(ФНО или TNF)
TNF - (кахектин)
TNF- (лимфотоксин)
Интерфероны (ИФН или IFN)
IFN и IFN
IFN
трансформирующие ростовые
факторы:
Трансформирующий
ростовый фактор –альфа –
TGF -
Трансформирующий
ростовый фактор –бета –
TGF -
-хемокины:
IL-8
NAP -2 (neutrophil – activating
protein -2)
PF -4 (platelet factor 4)

13. Основные типы цитокинов –общепринятые сокращения:

Колониестимулирующие
факторы:
G -CSF - granulocyte colony
stimulating factor
GM - CSF – granulocyte macrophage colony stimulating
factor
M - CSF - macrophage colony
stimulating factor
Multi - CSF - IL - 3
«Лимфокины» – секретируются в
основном активированными Т h
клетками:
MAF - macrophage activating
factor
MCF - macrophage chemotactic
factor
MMIF-macrophage migration
inhibition factor
LMIF- leukocyte migration
inhibition factor

14. Основные типы цитокинов –общепринятые сокращения:

Полипептидные ростовые
факторы клеток:
a FGF – acidic fibroblast
growth factor
b FGF – basic fibroblast
growth factor
EGF – epidermal growth
factor
NGF – nerve growth factor
PDGF – platelet - derived
growth factor
VEGF – vascular endothelial
growth factor
Современные отечественные книги и
журналы

15. Классификация цитокинов на основе их биологических эффектов

1. Интерлейкины (ИЛ-1 ÷
ИЛ- 35) - сигнальные
молекулы,
действующие между
лейкоцитами.
2. Факторы некроза
опухоли - цитокины с
цитотоксическим и
регуляторным
действием (ФНО).
3. Интерфероны –
противовирусные
цитокины:
1 типа –ИФН α,β и др.
2 типа –ИФН γ
4. Факторы роста стволовых клеток (ИЛ-3, ИЛ
-7, ИЛ-11, эритропоэтин, тромбопоэтин,
колониестимулирующие факторы (КСФ): ГМКСФ (гранулоцитарно-макрофагальный
колониестимулирующий фактор), Г-КСФ
(гранулоцитарный КСФ), М-КСФ
(макрофагальный КСФ), регулирующие
гемопоэз.
5. Хемокины (CC, CXC (ИЛ-8), CX3C, С) ,
регулирующие хемотаксис различных клеток.
6.Факторы роста клеток (фактор роста
фибробластов, фактор роста
эндотелиальных клеток, фактор роста
эпидермиса и др.), трансформирующий
ростовый фактор - участвуют в регуляции
роста, дифференцировки разных клеток.

16. Классификация цитокинов на основе их роли в процессе регуляции воспаления

Провоспалительные
Синтезируются
преимущественно
активированными клетками
моноцитарно/макрофагально
го ряда и повышают
активность воспалительного
процесса.
Провоспалительных цитокинов
намного больше, чем
противовоспалительных.
Противовоспалительные
В основном, Т- клеточные
цитокины, снижающие
активность воспаления –
ИЛ-10,
ТГФ β (трансформирующий
фактор роста бета);
а также -рецепторный
антагонист интерлейкина-1
(РАИЛ).

17. Цитокины с регуляторной (противовоспалительной) активностью

цитокин
эффект
ИЛ-10
подавляет продукцию
цитокинов, подавляет
активацию Т-хелперов 1 типа
ТРФ - бета 1
(трансформирующий
ростовый фактор-бета 1)
подавляет активацию Тхелперов 1 и 2 типа,
стимулирует рост
фибробластов

18. 1. Цитокины врожденного иммунитета

Основные клеткипродуценты – клетки
миелоидного
происхождения.
После активации
образраспознающих
рецепторов
запускается
внутриклеточный
сигнальный каскад,
приводящий к
активации генов
провоспалительных
цитокинов и
интерферонов 1 типа
(α ; β и др.).

19. РАСПОЗНАВАНИЕ ПАТОГЕНОВ РЕЦЕПТОРАМИ ВРОЖДЕННОГО ИММУНИТЕТА

Патогены
Патоген-ассоциированные
молекулярные структуры или паттерны
(РАМРs)
Паттерн распознающие рецепторы (PRRs):
1. Растворимые (система комплемента)
2. Мембранные (TLRs –Толл- подобные рецепторы, CD14)
3. Внутриклеточные (NOD и др.).

20.

Сигнальные пути Толл-подобных рецепторов
Димеры Толл-подобных рецепторов
Клеточная
мембрана
TIR-домены
MyD88
IRAK-1
TRIF
IRAK-4
TRAF6
TAK1
IKKa
JNK
TBK
1
IKKb
IRF3
AP-1
NFkB
Экспрессия генов цитокинов семейства ИЛ-1,
провоспалительных цитокинов и хемокинов
АНТИБАКТЕРИАЛЬНАЯ ЗАЩИТА
Экспрессия генов интерферона
АНТИВИРУСНАЯ ЗАЩИТА

21. Функциональная активность провоспалительных цитокинов в зависимости от их концентрации –местное и системное действие

На местном уровне
Самым ранним эффектом
провоспалительных цитокинов
является повышение адгезивных
свойств эндотелия и привлечение
активированных клеток в очаг
воспаления из периферической
крови.
Провоспалительные цитокины
управляют местным воспалением с
его типичными проявлениями
(отек, покраснение, появление
болевого синдрома).
На системном уровне
При повышении концентрации
провоспалительных
цитокинов в крови,
они действуют практически на
все органы и системы,
участвующие в
поддержании гомеостаза
Примером зависимости эффектов провоспалительных цитокинов от их
концентрации в крови может служить фактор некроза опухолей-альфа

22.

УРОВНИ ПРОВОСПАЛИТЕЛЬНЫХ ЦИТОКИНОВ В ПЛАЗМЕ КРОВИ
10-7 М
ФНО
10-8 М
10-9 М
Местное воспаление
Системная
воспалительная
реакция
Септический шок
Активация фагоцитоза и
продукции кислородных
радикалов. Усиление
экспрессии молекул
адгезии на эндотелии.
Стимуляция синтеза
цитокинов и хемокинов.
Увеличение метаболизма
соединительной ткани.
Лихорадка.
Увеличение уровней
стероидных гормонов.
Лейкоцитоз.
Увеличение синтеза
остро-фазовых
белков.
Снижение сократимос-ти
миокарда и гладкомышечных клеток сосудов.
Увеличение проницаемости
эндотелия. Нарушение
микроциркуляции. Падение
артериального давления.
Гипогликемия.

23. Роль некоторых цитокинов в патогенезе воспалительных реакций: Усиление реакций врожденного иммунного ответа

цитокин
эффект
ИЛ-6
Острофазовый ответ (действие на гепатоциты)
ИЛ-8
Фактор хемотаксиса нейтрофилов и других лейкоцитов
Фактор некроза
опухолей –
альфа(ФНО α)
Активирует нейтрофилы, клетки эндотелия, гепатоциты
(продукция белков острой фазы), катаболический
эффект – приводит к кахексии
Интерферональфа (ИФНα)
Активирует макрофаги, клетки эндотелия, естественные
киллеры

24. Интерлейкин-1-бета: свойства

Клетка - мишень
Эффект
Макрофаги,
фибробласты,
остеобласты,
эпителий
Пролиферация, активация
Остеокласты
Усиление процессов реабсорбции в костях
Гепатоциты
Синтез белков острой фазы воспаления
Клетки
гипоталамуса
Синтез простагландинов и последующий
подъем температуры тела

25. Интерлейкин-1-бета: свойства

Клетка-мишень
Эффект
Т-лимфоциты
Пролиферация, дифференцировка,
синтез и секреция цитокинов,
повышение уровня экспрессии
рецепторов к ИЛ-2
В-лимфоциты
Пролиферация, дифференцировка
Нейтрофилы
Высвобождение из костного мозга,
хемотаксис, активация
Эндотелий
Активация экспрессии молекул адгезии

26. Биологический смысл действия цитокинов при системном воспалении

На уровне целостного
организма цитокины
осуществляют связь между
иммунной, нервной,
эндокринной, кроветворной и
другими системами
регуляции гомеостаза и
служат для их вовлечения в
организацию единой
защитной реакции.
Цитокины обеспечивают
«сигнал тревоги»,
означающий, что настало
время включить все резервы,
переключить энергетические
потоки и перестроить работу
всех систем для выполнения
одной, но важнейшей для
выживания задачи – борьбы
с внедрившимся патогеном.
Примером множественности эффектов провоспалительных цитокинов
в запуске системного воспаления может служить интерлейкин 1 бета

27.

INFα
IL-6
IL-12,IL-23
TNFα
IL-1β
IL-8
Синтез цитокинов
Регуляция
температуры,
поведения,
синтеза гормонов
Активация лимфоцитов
IL-1β
Экспрессия молекул
адгезии на эндотелиоцитах,
прокоагулянтная активность,
синтез цитокинов
Продукция белков
острой фазы воспаления
PG
Активация
кроветворения
LT
NO
Активация фагоцитоза
Активация iNOS и метаболизма
арахидоновой кислоты

28. IL-1 и TNF-

IL-1 и TNF-
Интерлейкин -1 – бета(IL-1)
и фактор некроза
опухолей –альфа (TNF-)
играют основную роль в
воспалительных ответах,
так как введение
рецепторного антагониста
интерлейкина 1(IL -1 ra) , а
также моноклональных
антител или растворимых
рецепторов TNF-
блокирует острые и
хронические
воспалительные ответы в
экспериментах на
животных.
.
Некоторые их таких
антагонистов и
моноклональных
антител уже
используются в
клинике – например,
при лечении сепсиса,
ревматоидного
артрита, системной
красной волчанки и
других заболеваний
человека.

29. Ростовые факторы

цитокин
ГМ-КСФ
(гранулоцитарно-макрофагальный
колониестимулирующий фактор)
М-КСФ
(Макрофаг- колониестимулирующий
фактор)
Г-КСФ
(Гранулоцит- колониестимулирующий
фактор)
эффект
стимулируют рост и
дифференцировку
клетокпредшественников
моноцитов и
полиморфноядерных лейкоцитов

30.

31.

РЕГУЛЯЦИЯ ПРИОБРЕТЕННОГО ИММУНИТЕТА
Цитокины – ростовые и дифференцировочные
факторы всех типов Т- и В-лимфоцитов
Главные функции: регуляция дифференцировки Т-хелперных клонов определение типов тканевого воспаления, Т-клеток эффекторов и классов антител
Тh1 – клеточный тип с участием макрофагов
и Т-лимфоцитов (гранулема

При туберкулезе; при саркоидозе, контактном дерматите, болезни Крона)
Тh2 – аллергический тип ответа с участием гистамина и простагландинов
Т h 17 – нейтрофильное воспаление
Tfn (фолликулярные Т хелперы)- гуморальный иммунный ответ
T reg –T h регуляторный (ограничение силы всех типов иммунного ответа и
воспаления)