Клеточные и молекулярные процессы при воспалении

4.5. клеточные и молекулярные процессы воспаления

Нарушение структуры эндотелия и усиление его проницаемости — один из важнейших этапов воспаления. В зоне повреждения происходят кратковременный спазм прекапилляр-ных артериол, последующая их дилатация с усилением перфузии и, как следствие, увеличение проницаемости мелких и средних посткапиллярных венул (схема 4.6). Описаны 5 основных механизмов увеличения проницаемости эндотелия при воспалении.

Сокращение эндотелиальных клеток под действием гиста-мина, брадикинина, лейкотриенов и некоторых других классов медиаторов приводит к расширению межклеточных шелей. Это наиболее распространенный механизм сосудистой проницаемости. Подобное повышение сосудистой проницаемости развивается сразу после воздействия медиатора, обычно непродолжительного (15—30 мин) и обратимого.

Реорганизация цитоскелета и межклеточных контактов происходит под действием таких цитокинов, как ИЛ-1, ФНО и у-интерферон. Эти цитокины вызывают структурную реорганизацию цитоскелета, в результате чего эндотелиальные клетки отделяются друг от друга в местах межклеточных контактов.

Прямое повреждение эндотелия, приводящее к некрозу и слущиванию эндотелиальных клеток, обычно возникает при непосредственном воздействии повреждающих факторов на эндотелий, например при тяжелых ожогах или под действием бактерий, вызывающих лизис тканей (через ФНОа). В большинстве случаев увеличение проницаемости сосудов происходит сразу после повреждения и поддерживается на высоком уровне в течение нескольких часов, пока поврежденные сосуды не тромби-руются или не восстановятся. При этом механизме нарушены все уровни микроциркуляции, включая венулы, капилляры и артериолы. Отслойка эндотелиальных клеток часто сопровождается прилипанием тромбоцитов и тромбозом.

Повреждение эндотелия, вызванное лейкоцитами. Адгезия активированных лейкоцитов к эндотелию развивается на относительно ранней стадии воспаления. Активированные лейкоциты способны выделять токсичные соединения кислорода и про-теолитические ферменты, вызывающие повреждение или отслойку эндотелия, что ведет к повышению сосудистой проницаемости.

5. Повышенная проницаемость регенерирующих капилляров.

В процессе репарации эндотелиальные клетки пролиферируют и образуют новые кровеносные сосуды (ангиогенез). Эти капиллярные ростки остаются проницаемыми, пока идет дифферен-цировка эндотелиальных клеток и образуются межклеточные соединения.

Аккумуляция лейкоцитов в зоне повреждения вызывает серию комплексных взаимодействий между эндотелиальными клетками и лейкоцитами. От момента ухода лейкоцитов из просвета сосуда до проникновения в интерстициальную ткань происходит следующее: в просвете сосуда развивается феномен «краевого стояния лейкоцитов», затем феномен «катящихся лейкоцитов» по поверхности эндотелиальных клеток и их прилипание; проникновение сквозь эндотелий (диапедез); миграция в интерстициальную ткань по направлению хемотаксичес-ких сигналов.

В нормальном кровотоке эритроциты и лейкоциты концентрируются в центральной зоне сосуда, покидая бедные клетками слои плазмы около эндотелия. В раннюю стадию воспаления, одновременно с повышением сосудистой проницаемости, происходит изменение поверхности эндотелиальных клеток — появляются многочисленные выросты, способствующие замедлению кровотока и созданию турбулентных завихрений, в результате чего лейкоциты покидают центральную часть кровотока и занимают позиции на периферии вдоль эндотелиальной выстилки. Этот инициальный процесс, называемый маргинацией, или краевым стоянием лейкоцитов, связан главным образом с изменениями гемодинамики. В результате лейкоциты как бы катятся вдоль эндотелия, задерживаясь на короткое время, затем полностью останавливаются и плотно прилипают. После плотного прилипания лейкоциты выпускают псевдоподии в местах межклеточных соединений эндотелиальных клеток, проникают сквозь интерэндотелиальные контакты, пенетрируют базальную мембрану и попадают в околососудистое пространство.

Прилипание и проникновение лейкоцитов определяется связыванием адгезивных молекул на лейкоцитах и поверхности эндотелия химическими медиаторами — хемоаттрактантами и некоторыми цитокинами. Адгезивные рецепторы представлены тремя семействами молекул — селектинами, иммуноглобулинами и интегринами.

На начальных этапах адгезия нейтрофилов осуществляется с помощью связывания селектинов лейкоцитов и эндотелиальных клеток с их лигандами (Р-селектина на эндотелии и L-селекти-на на нейтрофилах). Поскольку количество Р-селектинов постоянно меняется (за счет интернализации рецепторов), ней-трофилы задерживаются на поверхности эндотелия на короткое время и катятся дальше. Гистамин и тромбин стимулируют продукцию ИЛ-1 и ФНОа лейкоцитами. Эти цитокины инициируют появление дополнительных адгезивных молекул на эндотелии — Е-селектина и межклеточной адгезивной молекулы-1 (ІСАМ-1), семейства иммуноглобулинов и р2-интегРинов на лейкоцитах, обеспечивающих полную остановку нейтрофилов и их проникновение через сосудистую стенку. Во время адгезии

происходит слущивание L-селектинов с поверхности лейкоцитов, поскольку функциональная необходимость в этих рецепторах исчезает (схема 4.7).

* Хемоаттрактанты — вещества, вызывающие хемотаксис, а хемо-кины — вещества, способствующие передвижению клеток.

Миграция всех типов лейкоцитов сквозь сосудистую стенку происходит в области межклеточных соединений. После пересечения эндотелиальных контактов лейкоциты временно задерживаются базальной мембраной, но окончательно проникают сквозь нее благодаря выделению нейтральных протеаз, разрушающих базальную мембрану. Миграция нейтрофилов в место повреждения — хемотаксис — обеспечивается хемотаксическими молекулами, выделяемыми как эндотелиальными клетками, так и другими клетками зоны повреждения. Хемоаттрактанты — С5а, лейкотриен В4″ фактор активации тромбоцитов и хемоки-ны (ИЛ-8)* вызывают образование инозитол-трифосфата (1Р3) и 1,2-диацилглицерола (ДАТ), которые через вторичные мессенд-жеры (фосфолипазу С, протеинкиназу С) создают градиент (изменение концентрации) внутриклеточного кальция, обеспечивающий движение клеток в очаг повреждения (см. главу 2).

Обозначения: CR3рецептор комплемента, ІСЗЬ компонент комплемента. Масі рецептор макрофага, НАДФ никотинамидадениндинуклеотидфосфаг

В более поздние сроки изменяется спектр адгезивных молекул на эндотелии. Комплексное действие ИЛ-1, ФНОа и у-интерферона вызывает появление на эндотелии сосудистой адгезивной молекулы — 1 (VCAM-1), соответствующей лиганду на моноцитах и лимфоцитах — рі-интегрину (VLA-4), и исчезновение Е-селектина. В результате в процессе адгезии участвуют преимущественно моноциты и лимфоциты. Появление среди хемоаттрактантов хемокина — моноцитарного хемоаттрактант-ного белка 1 (МСР-1) одновременно с экспрессией определенных адгезивных рецепторов на эндотелии способствует смене клеточных популяций в инфильтрате. Нейтрофильная инфильтрация сменяется моноцитарно-лимфоцитарной. Моноциты в очаге повреждения трансформируются в макрофаги.

Фагоцитоз и выброс ферментов нейтрофилами и макрофагами являются наиболее важными процессами, связанными с накоплением лейкоцитов в очаге воспаления (схема 4.8). Фагоцитоз состоит из трех взаимосвязанных стадий: 1) распознавания и связывания частиц лейкоцитом; 2) поглощения частиц с одновременным образованием фагоцитарной вакуоли; 3) уничтожения или разрушения поглощенного материала.

Распознавание и связывание. Нейтрофилы и макрофаги распознают и поглощают бактерии и инородные вещества вне сыворотки крови. Большинство микроорганизмов не распознается до тех пор, пока они не окружены опсонинами, которые связывают специфические рецепторы на лейкоцитах. Двумя основными опсонинами являются Fc-фрагмент IgG — естественное антитело против перевариваемых частиц — и СЗЬ, так называемый опсониновый фрагмент СЗ, образованный в результате активации комплемента с помощью иммунных и неиммунных механизмов.

Захват и поглощение. Связывание опсонизированных частиц является началом их захвата. Связывание СЗ-рецепторов требует их активации до захвата. Такая активация происходит в результате одновременного связывания внеклеточного фибронек-тина и ламинина или некоторых цитокинов. В процессе захвата псевдоподии окружают объект, после чего он оказывается в фа-госоме, окруженный цитоплазматической мембраной клетки. Ограничивающая мембрана этой фагоцитарной вакуоли сливается с мембраной, окружающей лизосому, и в результате образуется фаголизосома. В процессе захвата наблюдается дегрануля-ция нейтрофилов и макрофагов. Многие биохимические процессы, сопровождающие фагоцитоз и дегрануляцию, похожи на таковые при хемотаксисе. Захват сопровождается связыванием рецептора с лигандом, активацией фосфолипазы С и повышением концентрации кальция в цитозоле.

Уничтожение и разрушение. Основной этап фагоцитоза бактерий — их уничтожение и разрушение. Уничтожение бактерий обычно осуществляется с помощью кислородзависимого механизма. Фагоцитоз стимулирует усиленное потребление кислорода, гликогенолиз, окисление глюкозы, а также образование реактивных метаболитов кислорода. Количество Н202, образующейся в фаголизосоме, недостаточно для того, чтобы убить бактерии. Азурофильные гранулы нейтрофилов содержат фермент миелопероксидазу, антимикробное действие которой связано с окислением белков и липидов (перекисное окисление липидов). Подобный механизм эффективен также против грибов, вирусов, простейших и гельминтов.

Уничтожение бактерий может происходить и с помощью веществ, содержащихся во вторичных гранулах лейкоцитов. Они включают бактерицидный катионный белок, вызывающий активацию фосфолипазы, разрушение фосфолипидов и повышение проницаемости наружной мембраны микроорганизмов; лизо-цим, вызывающий гидролиз соединения мураминовой кислоты с N-ацетил-гликозамином, находящегося в гликопептидной оболочке всех бактерий; лактоферринсодержащий белок — в специфических гранулах; главный основной белок — катионный белок эозинофилов, обладающий ограниченной бактерицидной активностью, но цитотоксичный для многих паразитов; дефензины — катионные белки, содержащиеся в гранулах, богатых аргинином, и цитотоксичные для микробов.

Разрушение убитых микробов происходит под действием кислых гидролаз, находящихся в азурофильных гранулах фаго-лизосом. При этом рН в фаголизосомах после фагоцитоза колеблется от 4 до 5, что является оптимальным для действия ферментов. Изменения в мембранах, развивающиеся в нейтрофилах и моноцитах/макрофагах в процессе хемотаксиса и фагоцитоза, приводят к выделению определенных веществ не только в фаго-лизосомы, но и во внеклеточное пространство. Наиболее важные из них: ферменты лизосом, находящиеся в нейтрофильных гранулах; активные метаболиты кислорода; продукты метаболизма арахидоновой кислоты, в том числе простагландины и лейкотриены. Эти вещества являются сильными медиаторами для повреждения эндотелия и разрушения тканей. Поэтому, если лейкоцитарный инфильтрат персистирует и ничем не ограничен, он сам по себе может вызывать повреждение тканей, что наблюдается при ревматоидном артрите и некоторых формах хронических заболеваний легких.

Таким образом, для острого воспаления характерно увеличение кровотока через зону повреждения, возникающее в связи с расширением артериол и открытием капилляров. Повышенная сосудистая проницаемость приводит к накоплению богатой белком жидкости за пределами сосудов и формированию экссудата. Белки плазмы покидают сосуды преимущественно через расширенные промежутки между эндотелиальными клетками венул или в результате повреждения эндотелиальных клеток. Лейкоциты, вначале преимущественно нейтрофилы, прилипают к эндотелию с помощью адгезивных молекул, мигрируют сквозь эндотелий и проникают в место повреждения под влиянием хемо-таксических агентов. Далее происходит фагоцитоз чужеродных агентов, который может привести к гибели микроорганизмов. В процессе хемотаксиса и фагоцитоза активированные лейкоциты могут выделять токсические метаболиты и протеазы за пределы клеток, вызывая повреждение ткани и создавая основу для развития хронического воспаления.

При хроническом воспалении накопление макрофагов, поддерживаемое различными механизмами, приобретает устойчивый характер. Преобладает один из следующих типов реакций:

1) продолжение инфильтрации ткани моноцитами из кровотока возникает из-за постоянной индукции экспрессии адгезивных молекул и хемотаксических факторов. Эти клетки — наиболее важный источник макрофагов. Хемотаксическими стимулами для моноцитов, помимо С5а, ИЛ-8 и МСР-1, являются некоторые факторы роста, фрагменты разрушенного коллагена и фибронектина, а также фибринопептиды;

местная пролиферация макрофагов после их эмиграции из кровеносного русла имеет исключительное значение, в частности при формировании атеросклеротических бляшек;

иммобилизация макрофагов в месте воспаления. Некоторые цитокины (фактор торможения макрофагов) и окисленные ли-пиды могут вызывать такую иммобилизацию.

Макрофаг является центральным элементом хронического воспаления. Это связано с множеством биологически активных веществ, которые он продуцирует. Некоторые из них токсичны для клеток (например, метаболиты кислорода) или внеклеточного матрикса (протеазы), другие вызывают выход иных типов клеток (например, цитокины, хемотаксические факторы), третьи — пролиферацию фибробластов и накопление коллагена (например, ТФРр). Этот обширный арсенал медиаторов делает макрофаги мощными союзниками в защите организма, однако макрофаги могут вызывать и значительные повреждения ткани. Поэтому деструкция ткани становится одним из основных проявлений хронического воспаления.