Введение

Фагоциты – это клетки, которые защищают организм, поглощая вредные инородные частицы, бактерии и мертвые или умирающие клетки. Их название происходит от греческого слова phagein, означающего «есть» или «пожирать», и «cyte» – суффикса в биологии, обозначающего «клетку», от греческого kutos, «пустой сосуд». Они необходимы для борьбы с инфекциями и формирования последующего иммунитета. Фагоциты важны для всего животного царства и особенно хорошо развиты у позвоночных. В одном литре человеческой крови содержится около шести миллиардов фагоцитов. Они были открыты в 1882 году Ильей Ильичем Мечниковым во время изучения личинок морских звезд. За это открытие в 1908 году Мечников был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине. Фагоциты встречаются у многих видов; некоторые амебы ведут себя как макрофаги, что позволяет предположить, что фагоциты появились на ранних этапах эволюции жизни. Фагоциты человека и других животных классифицируются как «профессиональные» или «непрофессиональные» в зависимости от эффективности фагоцитоза. К профессиональным фагоцитам относятся многие типы лейкоцитов (такие как нейтрофилы, моноциты, макрофаги, тучные клетки и дендритные клетки). Основное различие между профессиональными и непрофессиональными фагоцитами заключается в том, что на поверхности профессиональных фагоцитов имеются молекулы, называемые рецепторами, способные распознавать вредные объекты, такие как бактерии, которые обычно отсутствуют в организме. Непрофессиональные фагоциты не обладают эффективными фагоцитарными рецепторами, например, рецепторами к опсонинам. Фагоциты играют ключевую роль в борьбе с инфекциями, а также в поддержании здоровья тканей путем удаления мертвых и умирающих клеток, достигших конца своего жизненного цикла. После фагоцитоза макрофаги и дендритные клетки могут участвовать в презентации антигена – процессе, при котором фагоцит перемещает фрагменты поглощенного материала обратно на свою поверхность. Этот материал затем демонстрируется другим клеткам иммунной системы. Некоторые фагоциты перемещаются в лимфатические узлы организма и представляют материал лейкоцитам, называемым лимфоцитами. Этот процесс важен для формирования иммунитета, и многие патогены выработали способы уклонения от атак фагоцитов. В 1882 году Мечников изучал подвижные (свободно перемещающиеся) клетки в личинках морских звезд, полагая, что они играют важную роль в иммунной защите животных. Чтобы проверить свою гипотезу, он вводил в личинки небольшие шипы мандаринового дерева. Через несколько часов он заметил, что подвижные клетки окружили шипы. Год спустя Мечников исследовал пресноводного ракообразного Дафнию – крошечное прозрачное животное, которое можно изучать непосредственно под микроскопом. Он обнаружил, что грибковые споры, атакующие животное, уничтожались фагоцитами. Затем он расширил свои наблюдения на лейкоциты млекопитающих и обнаружил, что бактерия Bacillus anthracis может быть поглощена и уничтожена фагоцитами – процесс, который он назвал фагоцитозом. Мечников предположил, что фагоциты являются основным механизмом защиты от вторжения организмов. Мечников был удостоен (совместно с Полом Эрлихом) Нобелевской премии по физиологии и медицине 1908 года за его работы по фагоцитам и фагоцитозу.

Фагоцитоз

Фагоцитоз – это процесс поглощения клетками таких частиц, как бактерии, инвазивные грибы, паразиты, мертвые клетки хозяина, а также клеточный и инородный мусор. Он включает в себя цепочку молекулярных процессов. Фагоцитоз происходит после того, как инородное тело, например, бактериальная клетка, связывается с молекулами, называемыми «рецепторами», расположенными на поверхности фагоцита. Затем фагоцит обволакивает бактерию и поглощает ее. Фагоцитоз бактерий человеческими нейтрофилами занимает в среднем девять минут. Попав внутрь фагоцита, бактерия оказывается в отсеке, называемом фагосомой. В течение одной минуты фагосома сливается либо с лизосомой, либо с гранулой, образуя фаголизосому. После этого бактерия подвергается множеству механизмов уничтожения и погибает через несколько минут. Фагоциты обладают ненасытным аппетитом; ученые даже кормили макрофаги железной стружкой, а затем использовали небольшой магнит для их отделения от других клеток. На поверхности фагоцита имеется множество типов рецепторов, используемых для связывания с различными веществами. Рецепторы-скавенджеры связываются с широким спектром молекул на поверхности бактериальных клеток, а Toll-подобные рецепторы – так названные из-за сходства с хорошо изученными рецепторами у плодовых мух, кодируемыми геном Toll – связываются с более специфическими молекулами, включая чужеродную ДНК и РНК. Связывание с Toll-подобными рецепторами усиливает фагоцитоз и стимулирует фагоцит к высвобождению группы гормонов, вызывающих воспаление.

Внутриклеточные кислородозависимые

Когда фагоцит поглощает бактерии (или любой материал), его потребление кислорода увеличивается. Это увеличение потребления кислорода, называемое респираторным взрывом, приводит к образованию реактивных кислородсодержащих молекул, обладающих антимикробным действием. Соединения кислорода токсичны как для захватчика, так и для самой клетки, поэтому они содержатся в компартментах внутри клетки. Этот метод уничтожения вторгшихся микробов с использованием реактивных кислородсодержащих молекул называется кислородозависимым внутриклеточным уничтожением, которое включает два типа реакций. Супероксид преобразуется в перекись водорода и синглетный кислород ферментом, называемым супероксиддисмутазой. Супероксиды также реагируют с перекисью водорода, образуя гидроксильные радикалы, которые способствуют уничтожению вторгшегося микроба. При слиянии гранул с фагосомой миелопероксидаза высвобождается в фаголизосому, где этот фермент использует перекись водорода и хлор для образования гипохлорита – вещества, используемого в бытовом отбеливателе. Гипохлорит чрезвычайно токсичен для бактерий.

Внутриклеточные, не зависящие от кислорода

Фагоциты также могут уничтожать микробы способами, не зависящими от кислорода, но они менее эффективны, чем кислородзависимые. Существует четыре основных типа таких способов. Первый использует электрозаряженные белки, повреждающие мембрану бактерии. Второй тип использует лизоцимы; эти ферменты разрушают бактериальную клеточную стенку. Третий тип использует лактоферрины, содержащиеся в гранулах нейтрофилов, которые лишают бактерии жизненно необходимого железа. Четвертый тип использует протеазы и гидролитические ферменты; эти ферменты используются для расщепления белков уничтоженных бактерий.

Внеклеточные

Интерферон гамма, который ранее назывался фактором активации макрофагов, стимулирует макрофаги к выработке оксида азота. Источником интерферона гамма могут быть CD4+ Т-клетки, CD8+ Т-клетки, естественные киллеры, В-клетки, естественные Т-киллеры, моноциты, другие макрофаги или дендритные клетки. Затем оксид азота высвобождается из макрофага и, благодаря своей токсичности, убивает микробы вблизи макрофага, – убивает раковые клетки и клетки, инфицированные вирусами, а также способствует активации других клеток иммунной системы. При некоторых заболеваниях, например, при редкой хронической гранулематозной болезни, эффективность фагоцитов снижена, что приводит к рецидивирующим бактериальным инфекциям. При этом заболевании наблюдается аномалия, затрагивающая различные звенья кислородозависимого уничтожения. Другие редкие врожденные аномалии, такие как синдром Шедьяка-Хигаси, также связаны с нарушением уничтожения поглощенных микробов.

Вирусы

Вирусы могут размножаться только внутри клеток и проникают в них, используя многие рецепторы, вовлеченные в иммунитет. Попав внутрь клетки, вирусы используют клеточные биологические механизмы в своих целях, заставляя клетку производить сотни идентичных копий самих себя. Хотя фагоциты и другие компоненты врожденного иммунитета могут в некоторой степени сдерживать вирусы, как только вирус попадает внутрь клетки, адаптивные иммунные ответы, особенно лимфоциты, становятся более важными для защиты. В очагах вирусной инфекции лимфоциты часто в огромном количестве превосходят все остальные клетки иммунной системы; это часто наблюдается при вирусном менингите. Вирус-инфицированные клетки, уничтоженные лимфоцитами, удаляются из организма фагоцитами.

Роль в апоптозе

У животных клетки постоянно погибают. Баланс между делением клеток и гибелью клеток поддерживает относительно постоянное количество клеток у взрослых особей. Существует два различных способа, которыми может умереть клетка: некроз или апоптоз. В отличие от некроза, который часто является следствием болезни или травмы, апоптоз – или запрограммированная клеточная смерть – является нормальной и здоровой функцией клеток. Организм должен ежедневно избавляться от миллионов мертвых или умирающих клеток, и фагоциты играют в этом процессе ключевую роль. Умирающие клетки, находящиеся на заключительных стадиях апоптоза, демонстрируют на своей поверхности молекулы, такие как фосфатидилсерин, чтобы привлечь фагоциты. Фосфатидилсерин обычно находится на цитозольной стороне плазматической мембраны, но в процессе апоптоза перераспределяется на внеклеточную сторону белком, известным как скремблаза. Эти молекулы маркируют клетку для фагоцитоза клетками, обладающими соответствующими рецепторами, такими как макрофаги. Удаление умирающих клеток фагоцитами происходит упорядоченно, без провоцирования воспалительной реакции, и является важной функцией фагоцитов.

Взаимодействие с другими клетками

Фагоциты обычно не прикреплены к какому-либо конкретному органу, но перемещаются по организму, взаимодействуя с другими фагоцитарными и нефагоцитарными клетками иммунной системы. Они могут общаться с другими клетками, производя химические вещества, называемые цитокинами, которые привлекают другие фагоциты к месту инфекции или стимулируют неактивные лимфоциты. Фагоциты являются частью врожденной иммунной системы, с которой рождаются животные, включая человека. Врожденный иммунитет очень эффективен, но неспецифичен, поскольку не различает различные типы возбудителей. С другой стороны, адаптивная иммунная система челюстноротых позвоночных – основа приобретенного иммунитета – высокоспециализирована и может защитить от почти любого типа возбудителей. Адаптивная иммунная система не зависит от фагоцитов, а от лимфоцитов, которые производят защитные белки, называемые антителами, которые маркируют возбудителей для уничтожения и предотвращают инфицирование клеток вирусами. Фагоциты, в частности дендритные клетки и макрофаги, стимулируют лимфоциты к производству антител посредством важного процесса, называемого презентацией антигена.

Представление антигена

Антигенопрезентация – это процесс, при котором некоторые фагоциты перемещают фрагменты поглощенных веществ обратно на поверхность своих клеток и "презентуют" их другим клеткам иммунной системы. Существует две "профессиональные" антигенпрезентирующие клетки: макрофаги и дендритные клетки. После поглощения чужеродные белки (антигены) расщепляются на пептиды внутри дендритных клеток и макрофагов. Эти пептиды затем связываются с гликопротеинами главного комплекса гистосовместимости (MHC) клетки, которые доставляют пептиды обратно на поверхность фагоцита, где они могут быть "презентованы" лимфоцитам. Это усиливает иммунитет, поскольку лимфоциты реагируют на антигены, представленные дендритными клетками, так же, как они отреагировали бы на место первоначальной инфекции. Однако дендритные клетки также могут уничтожать или подавлять лимфоциты, если они распознают компоненты организма хозяина; это необходимо для предотвращения аутоиммунных реакций. Этот процесс называется толерантностью.

Иммунологическая переносимость

Дендритные клетки также способствуют иммунологической толерантности, которая предотвращает атаку организма на собственные ткани. Первый тип толерантности – центральная толерантность, происходящая в тимусе. Т-клетки, которые связываются (через свой Т-клеточный рецептор) с собственным антигеном (представленным дендритными клетками на молекулах MHC) слишком сильно, подвергаются запрограммированной гибели. Второй тип иммунологической толерантности – периферическая толерантность. Некоторые самореактивные Т-клетки покидают тимус по ряду причин, в основном из-за отсутствия экспрессии некоторых собственных антигенов в тимусе. Другой тип Т-клеток – Т-регуляторные клетки – способны подавлять активность самореактивных Т-клеток в периферии. При нарушении иммунологической толерантности могут развиться аутоиммунные заболевания.

Профессиональные фагоциты

Фагоциты человека и других челюстноротых позвоночных делятся на "профессиональные" и "непрофессиональные" группы в зависимости от эффективности, с которой они осуществляют фагоцитоз. В крови нейтрофилы находятся в неактивном состоянии, но быстро перемещаются с током крови. Получая сигналы от макрофагов в очагах воспаления, они замедляются и выходят из кровотока. В тканях они активируются цитокинами и прибывают к месту воспаления, готовые к уничтожению.

Миграция

Когда происходит инфекция, выделяется химический сигнал "SOS", чтобы привлечь фагоциты к очагу инфекции. Эти химические сигналы могут включать белки, выделяемые проникающими бактериями, пептиды системы свертывания крови, продукты комплемента и цитокины, выделяемые макрофагами, расположенными в ткани вблизи места инфекции. Чтобы достичь очага инфекции, фагоциты покидают кровоток и проникают в пораженные ткани. Сигналы от инфекции заставляют эндотелиальные клетки, выстилающие кровеносные сосуды, производить белок, называемый селектином, к которому прикрепляются нейтрофилы, проходя мимо. Другие сигналы, называемые вазодилататорами, ослабляют соединения между эндотелиальными клетками, позволяя фагоцитам проходить сквозь стенку сосуда. Хемотаксис – это процесс, посредством которого фагоциты следуют за "следом" цитокинов к инфицированному участку. Во время инфекции из крови мобилизуются миллионы нейтрофилов, но они погибают через несколько дней.

Моноциты

Моноциты развиваются в костном мозге и достигают зрелости в крови. Зрелые моноциты имеют крупные, гладкие, дольчатые ядра и обильную цитоплазму, содержащую гранулы. Моноциты поглощают чужеродные или опасные вещества и представляют антигены другим клеткам иммунной системы. Моноциты формируют две группы: циркулирующую и маргинальную, которая остается в других тканях (около 70% находятся в маргинальной группе). Большинство моноцитов покидают кровоток через 20–40 часов, чтобы переместиться в ткани и органы, где в зависимости от полученных сигналов трансформируются в макрофаги или дендритные клетки. В одном литре человеческой крови содержится около 500 миллионов моноцитов. Они происходят из моноцитарных стволовых клеток, гранулоцитарных стволовых клеток или в результате деления уже существующих макрофагов. Диаметр макрофагов человека составляет около 21 микрометра. Этот тип фагоцитов не содержит гранул, но богат лизосомами. Макрофаги обнаруживаются во всем организме, практически во всех тканях и органах (например, микроглия в мозге и альвеолярные макрофаги в легких), где они находятся в состоянии покоя. Расположение макрофага может определять его размер и внешний вид. Макрофаги вызывают воспаление посредством продукции интерлейкина 1, интерлейкина 6 и TNF-альфа. Макрофаги обычно встречаются только в тканях и редко обнаруживаются в кровотоке. Продолжительность жизни тканевых макрофагов оценивается от четырех до пятнадцати дней. Макрофаги могут быть активированы для выполнения функций, недоступных моноцитам в состоянии покоя. Другими сигналами активации являются TNF-альфа и липополисахариды бактерий. Th1-клетки образуются в результате дифференцировки CD4+ Т-клеток после их ответа на антиген во вторичных лимфоидных тканях. В одном литре человеческой крови содержится около пяти миллиардов нейтрофилов, продолжительность жизни которых составляет всего около пяти дней. Они активно поглощают захватчики, покрытые антителами и комплементом, а также поврежденные клетки и клеточный детрит. Нейтрофилы не возвращаются в кровь, а превращаются в гнойные элементы и погибают. Внутриклеточные гранулы человеческих нейтрофилов давно известны своими протеолитическими и бактерицидными свойствами. Нейтрофилы способны секретировать продукты, стимулирующие моноциты и макрофаги. Секреты нейтрофилов усиливают фагоцитоз и образование реактивных кислородных соединений, участвующих во внутриклеточном уничтожении. Секреты из первичных гранул нейтрофилов стимулируют фагоцитоз бактерий, покрытых антителами IgG. При контакте с бактериями, грибками или активированными тромбоцитами они образуют сетчатые хроматиновые структуры, известные как внеклеточные ловушки нейтрофилов (NET). Состоящие преимущественно из ДНК, NET вызывают гибель клеток посредством процесса, называемого нетозом – после захвата патогенов в NET они уничтожаются окислительными и неокислительными механизмами.

Уклонение от возбудителя и устойчивость

Патоген способен успешно инфицировать организм только в том случае, если ему удается обойти его защитные силы. Патогенные бактерии и простейшие выработали разнообразные способы противостоять атакам фагоцитов, и многие из них фактически выживают и размножаются внутри фагоцитарных клеток.

Избегайте контакта

Существует несколько способов, которыми бактерии избегают контакта с фагоцитами. Во-первых, они могут размножаться в местах, недоступных для фагоцитов (например, на поверхности неповрежденной кожи). Во-вторых, бактерии могут подавлять воспалительный ответ; без этого ответа на инфекцию фагоциты не могут адекватно реагировать. В-третьих, некоторые виды бактерий могут ингибировать способность фагоцитов перемещаться к очагу инфекции, вмешиваясь в химиотаксис, который естественным образом вырабатывается организмом и играет решающую роль в заживлении ран.

Избегайте поглощения

Бактерии часто производят капсулы из белков или сахаров, которые покрывают их клетки и препятствуют фагоцитозу, в том числе экзополисахаридные капсулы Staphylococcus epidermidis. Streptococcus pneumoniae производит несколько типов капсул, обеспечивающих различную степень защиты, а стрептококки группы А вырабатывают белки, такие как M-белок и фимбриальные белки, для блокирования захвата. Некоторые белки препятствуют поглощению, опосредованному опсонинами; Staphylococcus aureus производит белок A, блокирующий рецепторы к антителам, что снижает эффективность опсонинов. Энтеропатогенные виды рода Yersinia связываются с использованием фактора вирулентности YopH с рецепторами фагоцитов, влияя тем самым на способность клеток осуществлять фагоцитоз.

Выживание внутри фагоцита

Бактерии разработали способы выживания внутри фагоцитов, где они продолжают уклоняться от иммунной системы. Чтобы безопасно попасть внутрь фагоцита, они экспрессируют белки, называемые инвазинами. Попав внутрь клетки, они остаются в цитоплазме и избегают токсичных химических веществ, содержащихся в фаголизосомах. Некоторые бактерии предотвращают слияние фагосомы и лизосомы, препятствуя образованию фаголизосомы. Некоторые бактерии способны жить внутри фаголизосомы. Например, Staphylococcus aureus производит ферменты каталазу и супероксиддисмутазу, которые расщепляют химические вещества, такие как перекись водорода, вырабатываемые фагоцитами для уничтожения бактерий. Бактерии могут покинуть фагосому до образования фаголизосомы: Listeria monocytogenes может создавать отверстия в стенке фагосомы, используя ферменты, называемые листериолизин O и фосфолипаза C. M. tuberculosis инфицирует нейтрофилы, которые затем поглощаются макрофагами, тем самым инфицируя и их. M. leprae инфицирует макрофаги, клетки Швана и нейтрофилы, а также выделяет экзотоксины, снижающие поступление АТФ в фагоцит, необходимого для фагоцитоза. После поглощения бактерия может убить фагоцит, высвобождая токсины, которые проникают через мембрану фагосомы или фаголизосомы, воздействуя на другие части клетки. Простейшие паразиты Toxoplasma gondii, Trypanosoma cruzi и Leishmania инфицируют макрофаги, и каждый из них обладает уникальным способом их подавления.

Повреждение организма фагоцитами

Макрофаги и нейтрофилы, в частности, играют центральную роль в воспалительном процессе, высвобождая белки и небольшие молекулы – воспалительные медиаторы, которые контролируют инфекцию, но могут повреждать ткани хозяина. В целом, фагоциты стремятся уничтожить патогены, захватывая их путем фагоцитоза и подвергая воздействию целого ряда токсичных веществ внутри фаголизосомы. Если фагоцит не смог захватить свою мишень, эти токсичные агенты могут высвобождаться в окружающую среду (это явление известно как «фрустрированный фагоцитоз»). Поскольку эти агенты также токсичны для клеток хозяина, они могут вызывать обширное повреждение здоровых клеток и тканей. Когда нейтрофилы высвобождают содержимое гранул в почках, компоненты гранул (реактивные соединения кислорода и протеазы) разрушают внеклеточный матрикс клеток хозяина и могут повреждать клетки гломерул, нарушая их способность фильтровать кровь и вызывая изменения их формы. Кроме того, продукты фосфолипазы (например, лейкотриены) усиливают повреждение. Этот выброс веществ стимулирует хемотаксис большего количества нейтрофилов к очагу инфекции, а гломерулярные клетки могут быть дополнительно повреждены молекулами адгезии во время миграции нейтрофилов. Повреждение клеток гломерул может привести к почечной недостаточности. Нейтрофилы также играют ключевую роль в развитии большинства форм острого повреждения легких. Здесь активированные нейтрофилы высвобождают содержимое своих токсичных гранул в легочную среду. Эксперименты показали, что снижение числа нейтрофилов уменьшает выраженность острого повреждения легких, однако лечение путем ингибирования нейтрофилов не является клинически целесообразным, поскольку это сделает хозяина уязвимым к инфекции. Вещества, выделяемые макрофагами, также могут повреждать ткани хозяина. TNF α – важный химический медиатор, выделяемый макрофагами, который вызывает свертывание крови в мелких сосудах, чтобы предотвратить распространение инфекции. Если бактериальная инфекция распространяется в кровь, TNF α высвобождается в жизненно важные органы, что может вызвать вазодилатацию и снижение объема плазмы, за которыми, в свою очередь, может последовать септический шок. Во время септического шока высвобождение TNF α вызывает закупорку мелких сосудов, снабжающих кровью жизненно важные органы, что может привести к их отказу. Септический шок может привести к смерти. Эволюционно впервые возник в одноклеточных эукариотах. Например, Dictyostelium discoideum – это амеба, обитающая в почве и питающаяся бактериями. Подобно фагоцитам животных, она захватывает бактерии путем фагоцитоза, преимущественно через Toll-подобные рецепторы, и обладает другими биологическими функциями, общими с макрофагами. Dictyostelium discoideum – социальный организм; при недостатке пищи он агрегирует, образуя мигрирующий псевдоплазмодий или слизень. Этот многоклеточный организм в конечном итоге формирует плодовое тело со спорами, устойчивыми к неблагоприятным условиям окружающей среды. Перед формированием плодовых тел клетки мигрируют в виде слизня в течение нескольких дней. В течение этого времени воздействие токсинов или бактериальных патогенов может поставить под угрозу выживание вида, ограничивая продукцию спор. Некоторые амебы захватывают бактерии и поглощают токсины, циркулируя внутри слизня, и в конечном итоге погибают. Они генетически идентичны другим амебам в слизне; их самопожертвование для защиты других амеб от бактерий аналогично самопожертвованию фагоцитов, наблюдаемому в иммунной системе высших позвоночных. Эта древняя иммунная функция у социальных амеб указывает на эволюционно консервативный механизм клеточного поиска пищи, который мог быть адаптирован к защитным функциям задолго до диверсификации амеб в более высокоорганизованные формы. Фагоциты встречаются во всем животном царстве. Способность амебы различать «свое» и «чужое» является ключевой и лежит в основе иммунной системы многих видов амеб.