Фагоциты и реакции эндоцитоза

25.10.2015

Фагоциты являются теми первыми клетками, которые осуществляют защитные реакции организма против поступающих микробов, прошедших через барьерные образования и действия на них целого ряда физических, химических и гуморальных факторов. Распознавая чужеродные антигены с помощью рецепторных структур, фагоциты активируются, поглощают их и деградируют. Поглощение чужеродных частиц называют эндоцитозом. Эндоцитоз осуществляется двумя типами реакций — пиноцитозом и фагоцитозом. По свидетельству Ю.С. Ченцова, пиноцитоз и фагоцитоз характеризуются сходными механизмами. Основные различия между ними заключаются в объемах и массе поглощаемой частицы (см. ниже).
Эндоцитоз (пиноцитоз, фагоцитоз) может быть неспецифическим и специфическим, Обычно неспецифический эндоцитоз обеспечивается за счет взаимодействия отрицательно заряженных кислых полисахаридных групп гликокаликса (внешний слой клеточной мембраны с полисахаридными цепями мембранных интегральных белкой — гликопротеидов) с разными положительно заряженными белковыми молекулами. Специфический эндоцитоз развивается в результате взаимодействия рецепторов фагоцита с соответствующими лигандами. Этот тип поглощения частиц называют иммунным.
Как специфический, так и неспецифический эндоцитоз происходят на специализированных участках мембраны фагоцита, называемых окаймленной ямкой. Ямки занимают около 2% клеточной поверхности, в этих участках плазматическая мембрана со стороны цитоплазмы покрыта одним из видов одевающих белков — СОР (Coated Protein), называемым клатрином, который связан с интегральными рецепторными структурами. Одевающая ямку, рыхлая сеть клатрина образуется в результате связывания трех молекул клатрина с тремя молекулами низкомолекулярного дополнительного белка. Такая связь образует похожие на трилистник структуры трискелиона (сеть из пяти- или шестиугольников), по структуре сходные с корзинкой. Образованные клатриновые трискелионы в виде корзинки и составляют внутреннюю поверхность окаймленной ямки. Мембрану окаймленной ямки с клатрином связывают высокомолекулярные минорные белки.
Пиноцитоз — процесс поглощения фагоцитом жидкости и содержащихся в ней небольших молекул размером 0,1 мкм. Поглощение частиц большего размера происходит в результате фагоцитоза. Процесс пиноцитоза включает две стадии — обратимую и необратимую. В обратимой стадии поглощаемое вещество, в т.ч. с высокой молекулярной массой, адсорбируется на мембране фагоцита. В необратимой стадии адсорбции загруженная зона клеточной мембраны с адсорбированными частицами впячивается (инвагинируется) внутрь фагоцита. В результате инвагинации клеточной поверхности в цитоплазме клетки образуются полости, от которых отшнуровываются пиноцитозные вакуоли (пиносомы) с помощью белковых молекул — динаминов. Динамины полимеризуются вокруг шейки отделяющихся пиносом, покрытых остатками клеточной мембраны с клатриновыми трискелионами и содержащих пиноцитируемые частицы. Отделенная от плазмалеммы (плазматическая или поверхностная мембрана) пиносома перемещается в глубь цитоплазмы, клатриновый слой распадается, клатрин перемещается к клеточной мембране и используется клеткой повторно. Пиносомы, или первичные эндосомы, сливаются с первичными лизосомами, содержащими ферменты, которые обеспечивают внутриклеточное переваривание поглощенного материала.
Последующие стадии переваривания антигена включают образование комплексов фрагментированных пептидов с антигенами гистосовместимости класса II для их распознавания антигенраспознающими рецепторами лимфоцитов. При развитии этих процессов от внутриклеточных вакуолей (эндосом, лизосом) отделяются небольшие пузырьки, сливающиеся с плазмалеммой и восстанавливающие ее утраченные участки. Процессы эндоцитоза развиваются быстро. Непосредственно эндоцитоз завершается за 5 мин. при 37°С, поглощенный лиганд доставляется к лизосомам за 20 мин., а рецептор реэкспрессируется на клеточной мембране. Этот процесс повторяется многократно на протяжении жизни рецептора (t >30 часов). В макрофагах вся плазматическая мембрана заменяется за 30 мин. Способностью к активному макропиноцитозу отличаются дендритные клетки.
Фагоцитоз как универсальную биологическую реакцию захвата инородных частиц клетками одноклеточных, многоклеточных и высших организмов открыл И.И. Мечников. В 1833 г. он сформулировал теорию фагоцитоза, доложив ее в докладе «О целебных силах организма» на съезде русских естествоиспытателей и врачей в Одессе. По современным представлениям, фагоцитоз индуцируется в результате взаимодействия лиганд-рецептор в везикулах фагоцита («окаймленных ямках») — участках клеточной мембраны, выстланных белком клатрином и содержащих заякоренный в мембране рецептор через его цитоплазматический домен. Клатрин способствует экспрессии рецептора в везикуле и его взаимодействию с лигандом. Взаимодействие лиганд-рецептор сопровождается прилипанием частиц к поверхности макрофага, формированием активирующего сигнала и проведением его внутрь клетки. Генерируемый сигнал индуцирует полимеризацию актина под мембраной в зоне контакта рецептор-лиганд. Это вызывает вытягивание богатого актином участка мембраны и охваты ванне частицы псевдоподиями. Фагоцитируемая частица постепенно погружается в клетку а участки мембраны позади частицы соединяются по типу «застежки молнии» и сливаются с образованием фагосомы («окаймленной везикулы»), содержащей фагоцитируемый материал. Фагосома отделяется от мембраны при содействии клатрина и перемещается к центру фагоцита. Связанные в сеть (но не свободные) трискелионы фагосомы активируют цитоплазматическую «раздевающую» АТФ, которая связывается с цепями клатрина и осуществляет разборку окаймленных везикул. Клатрин отделяется от фагосомы, перемещается к мембране и используется повторно. Одновременно происходит диссоциация комплекса рецептор-лиганд, от фагосомы отщепляются мелкие вакуоли, содержащие свободный рецептор. Эти вакуоли перемещаются к плазматической мембране, включаются в ее состав и рецепторы возвращаются на клеточную поверхность. Мембрана фагосомы, содержащей поглощенный материал, сливается с мембраной первичной, богатой ферментами лизосомы, и образует фаголизосому (вторичная лизосома), в которой происходит внутриклеточное переваривание поглощенного материала. Под влиянием ферментов и других лизосомных продуктов (нейтральные протеазы, кислые гидролазы — протеиназы, нуклеазы, катионные пептиды — MCP-1, MCP-2, лизоцим, дефензины, лактоферрин и др.) антиген деградирует на отдельные составляющие его пептиды. В этих процессах важную роль играют продукты метаболического или «респираторного взрыва». Под влиянием повышенного окислительного метаболизма в макрофагах активируется связанная с клеточной мембраной НАДФ-Н-оксидаза, образуется и накапливается в фаголизосомах супероксидный анион O2-, происходит его конверсия в кислородные радикалы — перекись водорода (H2O2), гидроксильные радикалы (ОН ) и их производные. Образуется также оксид азота (NO), генерируемый NO-синтетазой, и такой активный кислородный радикал, как синглетный кислород. Все эти молекулы оказывают выраженное деструктивное действие на фагоцитированный микроб. Механизмы, с помощью которых происходит деградация антигена, называются соответственно кислородонезависимыми и кислородозависимыми.
Последующая стадия включает образование в макрофагах комплекса из пептидных фрагментов разрушенного антигена и собственных молекул главного комплекса гистосовместимости класса II (MHC-II) (рис. 8.3.) Образованные комплексы перемещаются на клеточную поверхность (этот процесс называется представлением антигена, а клетки, представляющие антиген, — антигенпредставляющими клетками), где они распознаются Т-хелперами, индуцирующими формирование адаптивного иммунитета.

В образовании пептидов, пригодных для встраивания в антигенсвязывающий желоб MHC-II и последующего представления антигенных пептидов антигенами главного комплекса гистосовместимости класса II Т-хелперам, важную роль играют ферменты фаголизосом — катепсины D, E (аспарагиновые протеазы) и особенно S (цистеиновая протеаза), а также тиоловые редуктазы, индуцируемые ИНФγ. Эти ферменты содержатся только в антигенпредставляющих клетках — макрофагах, дендритных клетках, В-лимфоцитах.
Необходимо отметить, что способностью осуществлять реакции пиноцитоза и фагоцитоза характеризуются многие клетки организма — фибробласты, клетки эпителия, мышечные и опухолевые клетки. В отличие от них моноциты/макрофаги и гранулоциты, в частности нейтрофилы, считаются профессиональными фагоцитами, т.е. клетками, для которых процесс фагоцитоза является физиологической функцией. Дендритные клетки в состав профессиональных фагоцитов не входят, они являются членами семейства профессиональных антигенпредставляющих клеток.
При попадании микроорганизмов в кровяное русло они быстро поглощаются фагоцитами, однако этот процесс у разных видов животных протекает различно. I.R. Tizard приводит данные, в соответствии с которыми микробы у одних животных (кошки, овцы, крупный рогатый скот) преимущественно фагоцитируются макрофагами легких (86-94%), у других (80-94%) макрофагами печени и селезенки (табл. 8.3).
Активируемые в процессе поглощения чужеродных частиц макрофаги секретируют спектр цитокинов, играющих важную роль в защитных реакциях организма.

В отличие от завершенного фагоцитоза, вызывающего гибель до 80% бактерий за 20-30 мин., в ряде случаев поглощенный патоген не разрушается внутриклеточными молекулами макрофага, может длительно персистировать в клетке и сохранять способность к размножению, т.е. имеет место незавершенный фагоцитоз. Как завершенный, так и незавершенный фагоцитоз в значительной степени определяются свойствами возбудителя. М.П. Покровская и Н.И. Брауде, оценивая скорость поглощения и переваривания микробов фагоцитами, приводят данные, согласно которым эти процессы завершаются для сибиреязвенной палочки за 4 мин., для бактерий Фридлендера — за 30 мин., для пиогенных кокков и тифозных бактерий — за 1 час, для ряда невирулентных бактерий — за 30 мин. - 4-6 час. Считают, что свойства и особенности строения микроорганизмов, определяющие состояние незавершенного фагоцитоза и в конечном счете гибель фагоцита, формируют ряд механизмов, обеспечивающих выживание фагоцитированных бактерий. Такие механизмы включают:
• устойчивость ряда бактерий к внутриклеточному перевариванию;
• способность отдельных микроорганизмов выделять продукты, нейтрализующие микробицидные системы фагоцита;
• наличие у ряда микробов оболочки типа капсулы, препятствующей деградации микроорганизма в фаголизосомах;
• способность некоторых патогенов подавлять процесс слияния первичных лизосом с фагосомами.
При этом за исключением тех случаев, когда высоковирулентные штаммы бактерий, например чумного микроба, интенсивно размножаясь, выделяют эндотоксины, убивающие фагоцит, микроорганизмы длительно существуют в цитоплазме фагоцитирующих лейкоцитов. Перенос инфицированных клеток с током крови может индуцировать формирование вторичных очагов инфекции. Поглощение антигена и активация фагоцитирующих клеток — мононуклеарных фагоцитов, прежде всего резидентных макрофагов, характеризует один из первичных этапов формирования доиммунного воспаления.
Принципиально процессы фагоцитоза чужеродных частиц нейтрофилами не отличаются от таковых других профессиональных фагоцитов, во многом аналогичны таковому макрофагов и включают следующие этапы:
• хемотаксис нейтрофилов к поглощаемому объекту;
• прилипание частиц к нейтрофилу;
• поглощение частиц;
• образование фагосомы;
• слияние фагосомы с первичной лизосомой и образование фаголизосомы (вторичной лизосомы);
• разрушение частицы и ее фрагментация в фаголизосоме;
• переваривание фрагментов частицы;
• выброс продуктов деградации из клетки.
Обычно основные этапы иммунного фагоцитоза развиваются в периоды позднего доиммунного воспаления и раннего индуцибельного ответа, т.е. на ранних стадиях продукции антител и активации и деградации молекул комплемента. Связываясь с бактериями, антитела и компоненты комплемента опсонизируют их и способствуют более эффективному поглощению и перевариванию. Следует отметить, что цельные молекулы комплемента с бактериями не связываются. Для этого комплемент должен быть проактивирован, например, комплексом антиген-антитело или молекулами специфических сахаров на поверхности бактерии, и расщеплен на компоненты в результате его активации. Только после этого фрагменты комплемента проявляют способность опсонизировать бактерии.

Опсонизация — связывание бактерии или других частиц с опсонином, способствующее более активному их поглощению и перевариванию. Опсонины — биологически активные молекулы, соединяющие бактерии с фагоцитом при помощи экспрессируемых на его поверхности специфических рецепторов. Свойствами опсонинов обладают молекулы антител класса IgG и компоненты комплемента С3b, iC3b и С4b, для которых на поверхности фагоцита имеются соответствующие рецепторы. Свойства опсонинов проявляют также молекулы фибронектина, тафтцина, С-реактивного белка, ЛПС-связывающего белка сыворотки — LBP, маннансвязывающего лектина — MBL, белков SP-A и SP-D, сурфактанта и др. Опсонизация бактерий комплементом и антителами и их связывание нейтрофилом показаны на рис. 8.4.
Завершение процесса уничтожения чужеродного антигена сопровождается развитием процесса репарации. Разрушенная ткань заменяется новой за счет размножения клеток соседних участков или в результате ее замещения соединительнотканными элементами, образующими рубцовую ткань. В этих процессах существенную роль играют лейкоциты, в частности, элементы мононуклеарной системы фагоцитов, продуцирующие ряд ростовых факторов. Помимо уже упоминавшихся колониестимулирующих факторов в этих процессах участвуют факторы роста фибробластов, фактор роста нервов, ТФРα и β и др. Иначе говоря, развитие процессов репарации представляет собой дальнейшее развитие защитных функций клеток врожденного иммунитета, формирующих новые естественные оборонительные рубежи в виде неповрежденной ткани.