Молекулярные процессы при воспалении

Любому, у кого хоть раз вскакивал прыщик, хорошо знакомы такие сопутствующие этому неприятному событию симптомы, как покраснение кожи, припухлость, жжение, боль. Все они — признаки инфекции. Эта реакция организма, называемая воспалением, известна людям с давних времен. Но процесс, который обычно запускается клетками иммунной системы, может возникать и тогда, когда никакой инфекции нет, например при ударе ногой обо что-то твердое или — в более серьезном случае — при сердечном приступе. Эта вторая ситуация называется стерильным воспалением и при хроническом течении иногда приводит к таким на первый взгляд различающимся состояниям, как болезнь Альцгеймера, диабет и заболевание печени.

О самом хроническом воспалении и его роли в патогенезе различных заболеваний ученым известно уже не один десяток лет, но лишь в последние годы им удалось проникнуть в тайну его возникновения. Один из самых интересных фактов заключается в том, что воспаление— не какая-то автоматическая реакция; ему предшествует сборка специфических молекулярных структур. Клетки, получившие сигнал опасности, строят эти структуры — инфламмасомы — очень быстро и так же быстро ликвидируют их, обычно в течение суток после травмы или другого инцидента. (Представьте, что для производства некоего продукта вы за несколько минут возводите промышленное предприятие, а как только потребность в этом продукте отпадает, вы это предприятие тут же разрушаете.) Вероятно, столь быстрая ликвидация позволяет избежать слишком сильной иммунной реакции. В некоторых случаях воспаление полезно: оно способствует уничтожению патогена и блокирует его распространение в организме. Но часто его последствием становится повреждение прилежащих тканей и увеличение размеров пораженного участка.

Инфламмасомы интересны не только с чисто биологической точки зрения, их открытие очень ценно для медицины. Обнаружилось, что нарушение процесса их сборки/дезинтеграции приводит к хроническому воспалению. Многие лекарственные вещества, снимающие боль и опухание, инактивируют некоторые белки, усиливающие воспаление. Согласно же последним данным, препараты, блокирующие сборку инфламмасом или ускоряющие их дезинтеграцию, могут препятствовать выработке этих белков и, следовательно, замедлять повреждение ткани в целом совершенно новым способом. Такие препараты — сами по себе или в сочетании с другими — могут помочь в борьбе с воспалительными процессами, которые сегодня не удается подавить обычным путем.

Эти открытия заставили меня и других исследователей пересмотреть прежние представления о патогенезе многих заболеваний. Вместо того чтобы классифицировать их по локализации патологических процессов (сердце, печень и тому подобное), мы сконцентрировались на клеточных механизмах, неполадки в работе которых могут вызвать ту или иную патологию. К настоящему времени охарактеризованы четыре варианта инфламмасом, но скорее всего их гораздо больше. Одно из преимуществ такого подхода состоит в том, что, убедившись в эффективности какого-то препарата, скажем, при подагре, связанной с активацией конкретного типа инфламмасом, можно надеяться, что этот же препарат поможет и пациентам, страдающим сердечно-сосудистыми заболеваниями, провоцируемыми теми же инфламмасомами.

Свой или чужой

Воспаление — это один из ответов системы врожденного иммунитета, образующего первую линию обороны организма, на любые чужеродные агенты. Эта система работает следующим образом: макрофаги и родственные им клетки отыскивают в организме патогены и вырабатывают вещества, вызывающие воспаление и привлекающие к месту его возникновения все больше иммунных клеток. (Гной, образующийся в инфицированной ранке, состоит как раз из таких клеток.)

Долгое время считалось, что система врожденного иммунитета запускает каскад этих реакций только в ответ на «чужаков». Макрофаги распознают специфические молекулы на их поверхности и высвобождают белки, которые активируют следующие компоненты воспалительной реакции. Эти молекулы, имеющиеся только у патогенов и отсутствующие у клеток организма-хозяина, называют чужеродными сигналами. Чарлз Джейнуэй (Charles Janeway, Jr.) и Руслан Меджитов (Ruslan М. Medzhitov), сотрудники Иельского университета, заложили фундамент этого направления исследований в конце 1980-х — середине 1990-х гг.

Однако в дальнейшем выяснилось, что макрофаги чрезвычайно чувствительны и к некоторым молекулам, вырабатываемым самим организмом, в частности кАТФ (универсальному накопителю и переносчику химической энергии), а также к ДНК и РНК (носителям генетической информации). Обычно эти молекулы находятся внутри клеток и недоступны для макрофагов. Но когда они попадают в межклеточное пространство — например, если вы случайно ударяете молотком по пальцу, — их идентифицируют так называемые toll-подобные рецепторы и некоторые другие компоненты иммунной системы. Последняя воспринимает эти молекулы как чужеродные сигналы и отвечает на них точно так же, как на патогены, т.е. вызывает воспаление.

Эта цепная реакция имеет серьезные последствия, самое опасное из которых—увеличение размеров поврежденной ткани, если она не способна справиться с воспалением.

На все случаи жизни

Общее представление о воспалительной реакции сложилось более 15 лет назад, но в последнее время, в связи с выяснением некоторых ее деталей, интерес к этой проблеме значительно вырос. Что именно внутри макрофага запускает столь мощный защитный ответ? Ранее иммунологи предполагали, что добраться до её корней можно, только отслеживая сотни молекулярных сигналов, которые воздействуют на множество типов клеток, в том числе на макрофаги. Сосредоточившись на последних, они очень скоро поняли, что для запуска сигнала вполне достаточно короткой цепочки межмолекулярных взаимодействий, причем такой же механизм действует и в других клетках. Когда выяснилось, что круг исследований не столь широк, как думали, появилась надежда на успешную разработку лекарственных средств, которые либо блокируют образование инфламмасом, либо ускоряют их дезинтеграцию, и эти средства будут работать при самых разных патологических состояниях.

Итак, что же происходит внутри макрофага? Прежде всего важно отметить, что макрофаги, находящиеся поблизости от разрушенных клеток, буквально купаются в осколках молекул ДНК. РНК и других веществ, сигнализирующих о неполадках в организме. Некоторые из них связываются со специфическими белками на поверхности макрофагов, другие присоединяются к молекулам, чья природа и локализация пока не установлены. Эти «рецепторы» запускают один из двух внутриклеточных процессов: первый ускоряет выработку молекул, необходимых для запуска воспалительной реакции, второй опосредует сборку инфламмасом. Полностью сформированная иифламмасома модифицирует новообразованные молекулы, отвечающие за воспаление, и те невыясненным пока способом высвобождаются из макрофага.

Независимо от происхождения сигнала — вызвал его чужеродный агент или повреждение какой-либо ткани— каждая из четырех известных на сегодня инфламмасом вырабатывает и высвобождает два вещества— интерлейкин-Ib и интерлейкин-18. Эти соединения, относящиеся к группе сигнальных молекул под названием «цитокины», вызывают воспаление, и об их наличии было известно уже давно. Но до открытия инфламмасом никто не знал, как и где они образуются. Оказавшись вне макрофагов, цитокины распространяются по всему организму, стимулируя образование все новых и новых цитокинов, которые попадают в кровоток и мобилизуют другие иммунные клетки, вызывая полномасштабную воспалительную реакцию.

Но самое интересное начинается потом. Появляется все больше свидетельств того, что инфламмасомы находятся у истоков широкого круга заболеваний и патологических состояний, при которых воспаление, казалось бы, играет в лучшем случае второстепенную роль. И в самом деле: инфламмасомы образуются в клетках всех типов, а не только в макрофагах и других компонентах иммунной системы. (Так, они присутствуют в некоторых клетках стенок кишечника, и секретируемые ими цитокины запускают выработку слизи в ответ на какое-либо повреждение или чужеродного агента.) Интересен и другой факт: в различных частях тела образуются микроскопические отложения, становящиеся причиной различных патологий. Обнаружилось, что одна из инфламмасом, NLRP3, найденная во многих клетках, по-видимому, ответственна за большинство эпизодов воспаления, провоцируемого этими отложениями, — будь то частички асбеста в легких (мезотелиома) или микрокристаллы мочевой кислоты в суставах (подагра). Не исключено, что виновником склеротических изменений кровеносных сосудов, приводящих к инфаркту и инсульту, выступает не сам холестерол, а его кристаллы, образуемые при определенных условиях. Сходным образом скопление бета-амилоидов в межнейронном пространстве приводит к активации инфламмасомы NLRP3 в клетках микроглии — эквиваленте макрофагов в головном мозге, что приводит к отмиранию нейронов. Итак, широкий круг веществ — асбест, мочевая кислота, бета-амилоид, холестерол и другие— вызывают целый спектр заболеваний, затрагивающих разные органы и проявляющихся по-разному, но ко всем ним имеют отношение инфламмасомы.

Пищевой шок

Однако самым удивительным, по моему мнению, стало открытие, состоящее в том, что воспалительную реакцию способна провоцировать пища. Обильная еда может вызвать острую воспалительную реакцию, которая проходит сама по себе, если эпизод был единичным. Но если переедание имеет регулярный характер и организм вынужден запасать излишек калорий в виде жиров, возникает хроническое воспаление. У биологов не было достаточно оснований полагать, что еда как-то связана с развитием воспалительной реакции. Ведь питательные вещества— не патогенные микробы или инородные частицы, представляющие опасность для организма. Однако проведенные в последние годы исследования на животных подтвердили, что такие вещества, как насыщенные жирные кислоты (они содержатся в жирном мясе и сыре, а также вырабатываются в организме), употребляемые в большом количестве, активируют NLRP3-инфламмасомы макрофагов и других клеток. Это открытие привело к появлению новой области исследований, цель которой— выяснить влияние различных метаболитов на активность инфламмасом. Так, установлено, что потребление излишнего количества углеводов косвенным образом сказывается на процессе воспаления: организм должен вначале превратить их избыток в жирные кислоты.

Воспаление, связанное с перееданием, затрагивает многие органы, но в первую очередь печень, возможно потому, что через нее проходит много жирных кислот. Кроме того, в печени содержатся в большом количестве иммунные клетки, которые легко активируются и могут вызвать повреждения органа. В совокупности эти процессы приводят к увеличению размеров печени и воспалению. Это состояние обратимо, но часто его бывает трудно отличить от такового при злоупотреблении спиртным. (По неизвестным пока причинам ожирение печени иногда приводит к циррозу, опасному для жизни заболеванию.)

К этому достаточно тревожному наблюдению следует добавить, что примерно треть детей с избыточным весом страдают ожирением печени и по крайней мере у некоторых из них в молодом возрасте развивается цирроз. Если, как показывают опыты на животных. NLRP3-инфламмасомы опосредуют связанное с перееданием воспаление, то помочь страдающим ожирением можно, предотвратив их образование и тем самым уменьшив вероятность ожирения печени. В пользу этой идеи говорят данные о том, что у мышей с избыточным весом и отсутствием некоторых составляющих инфламмасом печень находится в отличном
состоянии.

Имея в виду, что переедание может провоцировать воспаление, я вместе с коллегами из Иельского университета решил проверить, не приведет ли недоедание к инактивации инфламмасом. Противовоспалительный эффект поста и физических упражнений хорошо известен, причем в организме в этот период повышается концентрация двух веществ: бета-гидроксибутирата и молочной кислоты. Мы выяснили, что последние связываются со специфическими рецепторами на поверхности макрофагов, запуская каскад биохимических реакций, приводящих в конце концов к выключению генов, которые опосредуют запуск сборки инфламмасом. Теперь мы намереваемся выяснить, как подстегнуть этот процесс, чтобы умерить воспаление, сопровождающее многие патологические состояния.

Хроническое воспаление

Поиски способа инактивации инфламмасом разумнее всего начать с выяснения того, как это происходит в естественных условиях, когда процесс дезинтеграции обычно завершается в течение 18-24 часов после сборки. Интересно узнать, какие молекулярные механизмы ответственны за аномальное «долгожительство» инфламмасом при различных патологических состояниях, и попытаться инактивировать этих долгожителей.

По имеющимся данным, все известные сигналы опасности— независимо от их типа— приводят к кратковременному резкому воспалению, даже если они поступают из межклеточного пространства. Но затем иммунная система просто перестает реагировать на слишком продолжительные сигналы типа 1. В отличие от этого, сигналы типа 2 (те. что запускают процесс сборки инфламмасом) провоцируют гибель иммунных клеток, если они функционируют слишком долго. В результате и в том и в другом случаях воспаление прекращается.

Отсюда следует, что для поддержания инфламмасом в рабочем состоянии на протяжении длительного времени требуются дополнительные сигналы, как это происходит при диабете и заболеваниях печени. Мои сотрудники вместе с коллегами из других лабораторий установили, что аденозин, высвобождаемый при расщеплении высокоэнергетической молекулы аденозинтрифосфата (АТФ). отсрочивает демонтаяс NLRP3-инфламмасом. По иронии судьбы долгое время аденозин считался противовоспалительным средством, поскольку он нейтрализует продукты воспалительного процесса.

В надежде на новые подходы

Все те открытия, о которых здесь говорилось, заставили нас по-новому посмотреть на природу воспаления. Теперь мы знаем, что все сигналы опасности— как внутренние, так и внешние, и даже реакция на обычные продукты расщепления пищи — сходятся в одноклеточной структуре инфламмасоме, которая отвечает на них образованием всего нескольких соединений. Характер заболеваний, сопровождаемых воспалением, определяется типом сигнала, локализацией воспалительного процесса и его продолжительностью. Так, кристаллы мочевой кислоты, образуемые в суставах, вызывают острую воспалительную реакцию, которая спадает самопроизвольно до следующего приступа несмотря на присутствие кристаллов, а отложения асбестовой пыли в легких приводят к хроническому воспалению и образованию рубцов.

Новые экспериментальные лекарственные препараты, уменьшающие воспаление, направлены на блокирование разных этапов сборки инфламмасом, в частности связывания активирующих молекул с их рецепторами. Сразу несколько компаний уже начали тестирование различных веществ на их способность воздействовать на сами инфламмасомы. Но дойти до стадии клинических испытаний этих веществ на эффективность и безопасность удастся лишь лет через десять.

Тем временем началось тестирование препаратов, уже доказавших свою эффективность (и одобренных FDA) при одном заболевании, на пригодность для применения при других патологиях, опосредуемых теми же инфламмасомами. Так, лекарственное средство анакинра, давно используемое при ревматоидном артрите и блокирующее рецептор, с которым связывается IL-1b после высвобождения из инфламмасомы, проверяется на эффективность в отношении широкого круга заболеваний, связанных с NLRP3-инфламмасомой, в том числе редкого воспалительного синдрома у детей.

Мы со своей стороны занимаемся проверкой давно известного лекарственного средства дигоксина, который применяется при некоторых видах аритмии, на способность ослаблять воспаление при таких патологиях, как болезнь Альцгеймера. Недавно было показано, что дигоксин подавляет активность вещества под названием HIF-1a, которое, поданным сотрудников моей лаборатории в Иельском университете, необходимо для поддержания в рабочем состоянии NLRP3-инфламмасомы. Последняя проявляет особенно высокую активность в клетках головного мозга при болезни Альцгеймера, поэтому есть основания полагать, что дигоксин окажется полезным в преодолении этого тяжелого недуга. Следует помнить, однако, что в больших дозах он вызывает спутанность сознания и другие симптомы, сходные с таковыми при деменции.

Последние несколько лет отмечены особым интересом к биологии воспаления, и, возможно, в скором будущем мы станем свидетелями прорыва в этой области. Научившись подавлять воспаление в зародыше, мы облегчим участь огромного числа людей, страдающих различными связанными с ним заболеваниями.