velikol.ru
1

ЦИТОКИНЫ. ОТ ТЕОРИИ К ПРАКТИКЕ

ЦИТОКИНЫ. ОТ ТЕОРИИ К ПРАКТИКЕ

1079

М. А. Пальцев

Резидентные клетки большинства органов и тканей, а также гемопоэтические клетки проду­цируют вещества, обладающие местным, корот-кодистанционным действием. Они получили на­звание аутокоиды. Эти биологически активные вещества быстро образуются клетками и быстро спонтанно разрушаются под влиянием специаль­ных ферментов. К аутокоидам относятся метабо­литы арахидоновой кислоты, цитокины, протеоли-тические ферменты, продукты местного ауто- и па-ракринного синтеза (ангиотензин П, эндотелии, брадикинин, аденозин и закись азота). Все эти ве­щества взаимодействуют между собой, особенно при развитии воспалительного процесса. В за­щитных и репаративных процессах участвуют только цитокины. Эта особенность, а также ряд свойств, объединяющих цитокины с гормонами, позволяют выделить их из аутокоидов в самосто­ятельную группу.

Цитокины представляют собой полипептиды, которые продуцируются многими типами клеток, но преимущественно лимфоцитами и макрофага­ми. Начало изучения цитокинов датируется 1966 г., когда Б. Блум, Б. Беннет и Дж. Давид независимо друг от друга описали фактор, продуцируемый активированными лимфоцитами и ингибирую-щий миграцию макрофагов. Термин цитокин вве­ли С. Кохен, Р. Бигаси и Т. Иошида в 1974 г. К 1990 г. сформировались взгляды на единую ци-токиновую систему, которая объединяет: интер-фероны (ИНФ), продуцируемые вирус-индуциро-ванными клетками; колоние-стимулирующие факторы (КСФ), получившие такое название из-за способности к образованию колоний грануло-цитов и моноцитов в агаре; интерлейкины (ИЛ), обеспечивающие взаимодействие различных по­пуляций лейкоцитов; факторы роста (ФР), спо­собные, подобно гормонам, стимулировать или тормозить митогенез, хемотаксис и дифференци-ровку клеток.

В настоящее время к цитокинам относят про­стые пептиды или гликопротеины с молекуляр­ной массой менее 30 kDa. Все они - олигонуклео-тиды, только ИЛ-12 - гетеродимер. Постоянная продукция этих веществ в норме либо низкая, ли­бо отсутствует вовсе. Их синтез регулируется раз­личными индуцирующими стимулами, действую­щими на уровне транскрипции и трансляции.

ПАЛЬЦЕВ Михаил Александрович - академик РАМН, заведующий кафедрой патологической анатомии Мос­ковской медицинской академии им. И.М. Сеченова.

Цитокины образуются транзиторно и оказывают в основном короткодистанционное действие (аутокринный и паракринный механизмы). Оно опосредуется через специфическое высокоаффин­ное связывание со специализированными клеточ­ными рецепторами. Под влиянием большинства цитокинов изменяется экспрессия генов в клетках-мишенях. Фенотипически это выражается в увели­чении (уменьшении) клеточной пролиферации, нарушении дифференцировочного статуса клеток и, как следствие, - изменении некоторых их функ­ций. Хотя спектр действия каждого цитокина до­статочно широк, все они в той или иной степени влияют и на гемопоэтические клетки.

Несмотря на многочисленные попытки, еди­ная классификация этих биологически активных веществ до сих пор не создана. Их принято делить на группы в зависимости от области науки, в кото­рой они изучены, - на интерлейкины (иммуноло­гия), интерфероны (вирусология), колоние-стиму­лирующие факторы (гематология), факторы роста (цитология и клеточная биология). Естественно, та­кое деление в значительной мере условно.

В зависимости от направленности действия на клетки различают шесть групп цитокинов. Пер­вую составляют вещества, опосредующие естест­венный иммунитет (ИЛ-1, фактор некроза опухо-лиа- ФНОа, ИФНу, ИЛ-8). Некоторые из них, на­пример интерфероны, защищают организм от вирусной инфекции, другие, в частности интерлей­кины, инициируют неспецифический воспалитель­ный ответ. Вторая группа включает цитокины, регулирующие рост, активацию и дифференци-ровку лимфоцитов (ИЛ-2, ИЛ-4, ИЛ-5, ИЛ-12, трансформирующий фактор роста (3-ТФРр), тре­тья - вещества, которые активируют воспали­тельные клетки (ИФНу, ФНО„, лимфотоксин, ИЛ-8). В четвертую группу объединены цитоки­ны, стимулирующие гемопоэз. Многие предста­вители этой группы, образованные лимфоцитами или стромальными клетками, ускоряют рост и появление новых клеток крови, активируя клет­ки-предшественники. Пятая группа содержит комбинацию многочисленных факторов, контро­лирующих рост резидентных клеток, в том числе эпидермальный фактор роста - ЭФР, основной и кислый фактор роста фибробластов - ФРФ, фак­тор роста нервных клеток, инсулиноподобные факторы роста, ТФРа, ТФРр, ИЛ-1, ФНОа. В ше­стую группу собраны цитокины, связанные с вне­клеточным матриксом, а также мембраноассоци-ированные (ИЛ-1, о-ФРФ, ТФРр).

ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 66 № 12 1996

1080

ПАЛЬЦЕВ






Известно, что цитокины способны действо­вать внутри клетки-продуцента (интракринный механизм). Одни воздействуют на собственную клетку-продуцент (аутокринный механизм), дру­гие - на близлежащие клетки (паракринный ме­ханизм), третьи - на удаленные клетки-мишени, что роднит их с гормонами (эндокринный меха­низм). Не случайно некоторые цитокины и гор­моны имеют сходное строение, одинаковый меха­низм передачи сигнала в клетке (связывание со специфическим рецептором - последовательная активация клеточных киназ - активация транскрип­ции в ядре) и эндокринный механизм действия.

И все же между полипептидными гормонами и цитокинами много различий. Для подавляющего большинства гормонов характерны принадлеж­ность к определенному виду специализированных клеток, уникальный и ограниченный спектр дей­ствия, длиннодистанционное влияние (эндокрин­ный механизм). В отличие от гормонов цитоки­ны, как правило, синтезируются более чем одним типом клеток. Разные цитокины могут однона-правленно воздействовать на определенный тип клеток, одни и те же цитокины действуют на раз­ные виды клеток-мишеней, причем наиболее рас­пространенные механизмы - аутокринный и паракринный (короткодистанционные).

Механизм, регулирующий действие цитоки­нов, во многом еще не понят. Однако не вызыва­ет сомнений, что он реализуется на уровне экс­прессии цитокинов и их рецепторов, а также на уровне продукции антагонистов рецепторов и растворимых рецепторов [1]. Большинство цито­кинов секретируется в ответ на воздействие анти­генных, митогенных или других стимулов (рис. 1). Например, индукция секреции цитокинов Т-клет-ками антигенспецифична, в то время как секре­ция их макрофагами зависит от влияния и эндо­генных, и экзогенных (эндотоксин, бактерии, ви­русы) стимулов. Гены, кодирующие синтез

цитокинов и их рецепторов, находятся под кон­тролем многочисленных транскрипционных фак­торов и регуляторных элементов. Экзогенные (растворимые антигены, вирусы) или эндогенные (цитокины, кофакторы) стимулы, вызывающие секрецию цитокинов, могут регулировать актив­ность транскрипционных факторов либо индуци­ровать их экспрессию de novo. Сами цитокины способны индуцировать специфические ядерные факторы, которые влияют на транскрипцию дру­гих цитокиновых и нецитокиновых генов.

В отличие от цитокинов экспрессия цитокино­вых рецепторов осуществляется на клетках-ми­шенях постоянно. Активирующие стимулы при­водят к увеличению числа таких рецепторов и усилению ответа, однако экспрессия части из них все же зависит от активации клеток. Некоторые цитокины повышают экспрессию тех или иных рецепторов, иногда они выступают в роли анта­гонистов по отношению к другим цитокинам.

Получены данные о существовании ингибито­ров, обладающих цитокинспецифическим дейст­вием. Механизм этого действия различен, хотя в результате всегда образуется цитокинрецептор-ный комплекс, тормозящий сигнальную транс-дукцию. Ингибиторы цитокинов по механизму действия делятся на две группы. К первой отно­сятся антагонисты, которые замедляют связыва­ние цитокина с рецептором, блокируя соответст­вующий сайт. Вторая группа представлена белка­ми, ингибирующими связывание цитокина с рецептором с помощью свободных цитокинов.

Антагонисты цитокиновых рецепторов могут связывать рецепторы, не проявляя при этом са­мостоятельной биологической активности. Они конкурируют с биологически активными цитоки­нами за одни и те же рецепторы на поверхности клеток-мишеней. Например, одна и та же популя­ция моноцитов синтезирует одновременно как агонистов, так и антагонистов к ИЛ-1. По мере

ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 66 № 12 1996

^ ЦИТОКИНЫ. ОТ ТЕОРИИ К ПРАКТИКЕ

1081


созревания моноцитов в макрофаги продукция ИЛ-1 снижается, а продукция антагониста рецеп­тора ИЛ-1 (ИЛ-1ра), наоборот, возрастает. Пола­гают, что последний - основной продукт секре­ции тканевых макрофагов.

Многие ингибиторы связывают свободные ци-токины в растворе, предупреждая развитие по­добной реакции со специфическими рецепторами на клетке-мишени. Как правило, эти ингибиторы представляют собой экстрацеллюлярный домен специфических мембранных рецепторов в рас­творимой форме. Аффинность последних к их лигандам сопоставима с аффинностью истинных мембранных рецепторов. Растворимые рецепто­ры появляются в результате протеолитической обработки первоначально связанных с мембра­ной рецепторов или синтезируются при кодиро­вании расщепленными мРНК. Связывание цито­кинов с растворимыми рецепторами in vivo мож­но рассматривать как механизм защиты от протеолитической инактивации, благодаря чему удлиняется продолжительность жизни цитокинов.

В настоящее время исследователей особенно интересует механизм взаимодействия цитокинов между собой, так как продукция любого цитоки-на клеткой стимулирует продукцию другого ци-токина клеткой-мишенью и т.д. Этот феномен получил название цитокиновый каскад. Предпри­нятый нами анализ взаимодействия различных цитокинов в процессе воздействия на клетку-ми­шень позволил выяснить, например, что в культу­ре мезангиальных клеток почечного клубочка трансформирующий фактор роста (3 в малых кон­центрациях оказывает активирующее, а в боль­ших - супрессорное влияние на пролифератив-ную активность мезангиальных клеток (рис. 2). Таким образом, каждый цитокин способен воз­действовать на многочисленные типы клеток-ми­шеней, однако в зависимости от типа клеток и концентрации цитокинов, эффект может быть прямо противоположный.

Цитокины различных групп оказывают сход­ное влияние на определенный тип клеток. Одна­ко действие на клетку-мишень двух или более ци­токинов иногда приводит к качественно различ­ным ответам. По всей видимости, один из цитокинов способен увеличить или уменьшить экспрессию рецепторов для другого (трансмоду­ляция рецепторов). Например, по нашим данным, в культуре мезангиальных клеток почечного клу­бочка в ранней гетерологичной фазе нефроток-сического нефрита возрастает пролиферативная активность мезангиальных клеток. Одновремен­но повышается концентрация цитокинов ИЛ-1а, ИЛ-lp и ФНОа в надосадочной жидкости. На бо­лее поздней аутологичной стадии нефротоксиче-ского нефрита увеличение концентрации цитоки­нов сопровождается уменьшением пролифератив-



ной активности мезангиальных клеток (рис. 3). Видимо, высокие концентрации фактора некроза опухолей а подавляют экспрессию рецепторов ИЛ-1, поэтому пролиферативная активность ме­зангиальных клеток снижается, несмотря на уве­личение уровня ИЛ-1.

Быстрый прогресс в исследовании цитокино-вых генов вызвал не только академический, но и практический интерес. Предложены новые под­ходы к лечению многих болезней, включая онко­логические, аутоиммунные и инфекционные, с использованием цитокинов и антител к ним, анта­гонистов рецепторов и растворимых рецепторов цитокинов. Потенциально любой из уровней ре­гуляции цитокинов может рассматриваться как мишень для терапевтического воздействия - им­мунотерапии.

К традиционным относится иммунотерапия на основе рекомбинантных цитокинов. Например, ИЛ-1 рекомендуется при инфекционных заболе-

ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 66 № 12 1996

1082 ПАЛЬЦЕВ

ваниях и длительно не заживающих ранах. Одна­ко побочные эффекты его действия - злокачест­венная деструкция костей и развитие ревматоид­ного артрита - практически нивелируют лечебный эффект [2]. Выраженным противоопу­холевым действием обладает ФНОа. Но при его использовании существует опасность грубых на­рушений липидного метаболизма, что приводит к кахексии, а также внутрисосудистого свертыва­ния крови [3]. Несколько лучшие результаты да­ет иммунотерапия на основе комбинаций различ­ных цитокинов, например ИЛ-1 и ФНОа. Однако и в этом случае часто наблюдаются побочные эф­фекты - рост Т-клеточных опухолей [4]. Таким образом, первый опыт применения цитокинов в клинической практике свидетельствует о необхо­димости учета особенностей их действия в орга­низме, в частности включения цитокинового кас­када. С ним, видимо, и связаны осложнения.

Большие перспективы сулит иммунотерапия на основе моноклональных антител к цитокинам, влияющая на различные звенья цитокинового ка­скада. Положительные результаты дает исполь­зование антител к ИЛ-6 при лечении миеломной болезни и антител к ТФРр при раке молочной же­лезы. Все более широкое применение находят ан­титела к ФНОа в лечении ревматоидного артрита и рассеянного склероза. В то же время нельзя не учитывать, что антитела к цитокинам, как и сами цитокины, быстро распадаются и элиминируются из организма. Поэтому для достижения терапев­тического эффекта приходится вводить относи­тельно большие дозы антител, что в свою оче­редь увеличивает риск иммунизации организма чужеродным белком [5].

Совсем недавно в иммунотерапии начали ис­пользовать антагонисты рецепторов цитокинов и растворимые цитокиновые рецепторы. Комбина­ция антагонистов рецепторов цитокинов ИЛ-1 и ФНОа оказалась эффективной при лечении рев­матоидного артрита, а антагонисты рецепторов ИЛ-1 - при лечении анкилозирующего спондили­та, сахарного диабета первого типа и бронхиаль­ной астмы [6]. Растворимые рецепторы ИЛ-6 да­ют положительный эффект при миеломной бо­лезни, ИЛ-1 и ФНОа - ревматоидном артрите, ИЛ-1 и ИЛ-4 - сахарном диабете первого типа, ИЛ-2 - системной красной волчанке, а ИЛ-1 -рассеянном склерозе [7]. Замечу, антагонисты рецепторов и растворимые рецепторы цитокинов считаются наиболее перспективными в иммуно­терапии, так как позволяют по сути вмешиваться в регуляцию цитокинового каскада. Однако этот метод лечения дорогой, поскольку требует хоро­шей молекулярно-биологической и биотехноло­гической базы.

Таким образом, цитокины, их антагонисты, а также антагонисты рецепторов и растворимые

рецепторы цитокинов находят применение в им­мунотерапии многих заболеваний, ранее считав­шихся неизлечимыми. В то же время нужно при­знать, что пока иммунотерапия остается не толь­ко самым дорогостоящим методом лечения, но и самым опасным из-за возможных побочных эф­фектов. Ее называют терапией отчаяния, к помощи которой прибегают лишь неизлечимо больные.

При лечении многих заболеваний, например не-фротоксического нефрита, используются препа­раты, влияющие на клеточную пролиферацию (кортикостероиды, цитостатики). Чтобы расшиф­ровать механизм их действия с учетом цитокино­вого каскада, мы использовали эксперименталь­ную модель этого заболевания. Его вызывали у крыс путем введения антител к гломерулярной базальной мембране.

Повреждение этой мембраны приводит к ак­тивации эндотелиальных и мезангиальных кле­ток, продуцирующих фактор активации тромбо­цитов, моноцитарный белок хемотаксиса, тром-боксаны, лейкотриены и цитокины (ИЛ-1, ИЛ-6, ФНОа, ИЛ-8). Активированные эндотелиальные клетки экспрессируют на своей поверхности ряд адгезивных молекул, что облегчает прилипание лейкоцитов к эндотелию. Уже через 2-4 часа после развития повреждения эндотелиальные клетки экс­прессируют лиганд для L-селектина. Одновременно на поверхности эндотелия происходит экспрессия другой адгезивной молекулы - ICAM-1, что в сово­купности с хемоаттрактантами моноцитов обес­печивает смену популяции клеток, инфильтриру­ющих почечный клубочек. К третьему дню раз­вития нефротоксического нефрита инфильтрат представлен преимущественно мононуклеарны-ми лейкоцитами [8]. В результате их действия, а также интракапиллярных отложений фибрина повреждаются клетки гломерулярного фильтра, в первую очередь, эндотелий. Этот процесс ярко выражен в позднюю аутологичную фазу нефро­токсического нефрита, когда мононуклеарные лейкоциты проникают под отслаивающийся эн­дотелий и контактируют с оголенной гломеру­лярной базальной мембраной. В местах отслойки часто встречаются скопления фибриноподобных масс. Вследствие повреждения гломерулярного фильтра активизируется синтез компонентов экстрацеллюлярного матрикса как подоцитами, так и мезангиальными клетками. Этот процесс регулируется цитокином ТФРр, количество кото­рого резко возрастает в аутологичную фазу. Источ­ником цитокина служат мононуклеарные лейкоци­ты и активированные мезангиальные клетки.

Продукция цитокинов изучалась в культуре мезангиальных клеток. И в гетерологичную, и в аутологичную фазу нефротоксического нефрита культура гломерулярных клеток представлена мезангиальными клетками гладкомышечного ти-

ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 66 №12 1996

^ ЦИТОКИНЫ. ОТ ТЕОРИИ К ПРАКТИКЕ 1083

па и мононуклеарными лейкоцитами. Последних было в обеих фазах значительно больше, чем в контроле. Пролиферативная активность мезан­гиальных клеток как в гетерологичную, так и аутологичную фазы превышала активность в контроле и была более выраженной в первой фа­зе. Рост пролиферативной активности мезангиаль­ных клеток связан с увеличением продукции ИЛ-1, антагониста рецептора ИЛ-1 (ИЛ-lpa) и ФНОа мононуклеарными лейкоцитами, а также инсули-ноподобного ростового фактора 1 (ИПРФ-1) мезангиальными клетками. Заметим, что в ауто-логичной фазе, наряду с уменьшением пролифе­ративной активности мезангиальных клеток, повышается продукция ТФРр, который играет ве­дущую роль в торможении пролиферации клеток. Одновременно возрастает продукция экстрацел-люлярного матрикса, преимущественно коллагена IV типа.

Для лечения гломерулонефрита широко ис­пользуются иммуномодуляторы. Иммуносупрес-сантом, влияющим прежде всего на клеточное звено иммунитета, является метилпреднизолон. После его введения уменьшается инфильтрация почечного клубочка мононуклеарными лейкоци­тами и пролиферативная активность мезангиаль­ных клеток. Одновременно снижается продукция цитокинов ИЛ-1, ФНОа и ТФРр, а также ИЛ-1ра (рис. 4). Видимо, пролиферация мезангиальных



клеток в культуре поддерживается за счет ИПРФ-1, который выделяют сами мезангиаль-ные клетки. Продукция коллагена IV типа при отсутствии мононуклеарных лейкоцитов в куль­туре клеток не наблюдалась, хотя in vivo была хо­рошо выражена (табл. 1).

По-видимому, развитие склероза почечных клубочков in vivo после введения метилпреднизо­лона объясняется длиннодистанционным эндо­кринным действием ТФРр, который продуцирует-



ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 66 № 12 1996

1084

МАКСИМОВА


ся многими клетками. Единственным источником этого цитокина в культуре мезангиальных кле­ток служат мононуклеарные лейкоциты, и если их нет в культуре после введения метилпреднизо-лона, синтез коллагена IV типа мезангиальными клетками тормозится.

Применение другого иммунодепрессанта -циклофосфамида, воздействующего преимуще­ственно на гуморальное звено иммунитета, - сни­жает степень антительного повреждения гломе­рулярного фильтра. При этом как in vivo, так и in vitro возрастает количество мононуклеарных лейкоцитов. Анализ надосадочной жидкости сви­детельствует об уменьшении продукции ФНОа и увеличении ИЛ-lpa, в то же время продукция ИЛ-1 и основного фиброгенного фактора ТФРр остается практически неизменной. Как in vivo, так и in vitro увеличивается образование компо­нентов внеклеточного матрикса (табл. 2). Веро­ятно, рост продукции ИЛ-lpa сдерживает проли-феративную активность мезангиальных клеток, а в сочетании с ТФРр - стимулирует продукцию внеклеточного матрикса.

Полученные данные позволяют по-новому взглянуть на роль мононуклеарных лейкоцитов в зоне повреждения гломерулярного фильтра. Они являются основным источником протеиназ, регу­лирующих накопление внеклеточного матрикса. Их отсутствие, вызванное, например, введением метилпреднизолона, может приводить к бесконт­рольному накоплению внеклеточного матрикса, увеличивая риск склероза почечных клубочков.

Исследование цитокинов - важнейших регуля­торов жизнедеятельности клеток - из области те­ории переходит в практическую плоскость. Им­мунотерапия цитокинами благодаря их узкона­правленному действию считается одним из

наиболее перспективных методов лечения. В то же время при использовании различных иммуно-модуляторов нельзя не учитывать, что их дейст­вие на клетки нередко реализуется через цитоки-новый каскад. А механизм многих побочных эф­фектов можно понять лишь в том случае, если удастся расшифровать характер нарушения меж­клеточных взаимодействий, возникающих в каж­дом конкретном случае.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Пальцев М.А., Иванов А.А. Межклеточные взаи­модействия. М., 1995.

  2. Catalono M. Interleukin-1 treatment of reumatoid arthri­tis //J. Cell. Biochem. 1993. Suppl. 178. P. 55-61.

  3. Lejenne F., Lenard D., Eggermont A.M.M., Geran J. The extracorporal circulation of TNFa for the treatment in peripheral sarcomas and melanomas. - In: Tumour necrosis factor: molecular and cellular biology and clin­ical relevance / Eds. Fiers W. and Buurman W.A. Basel, 1993.

  4. Haworth C, O'Reilly S.M., Chu E. et al. Effect of com­bination of IL-2 with flavone acetic acid of NK activi­ty //Brit. J. Cancer. 1993. V. 67. P. 1346-1350.

  5. Kettlebowugh C.A., Saldanha J., Heath V.J. et al. The use of monoclonal antibodies against specific cytokines in the treatment of a number of diseases // Protein Eng., 1991. V. 4. P. 773-783.

  6. Fernandez-Botran R. Soluble cytokine receptors immu-nomodulating agents // FASEB. 1991. V. 5. P. 2567-2574.




  1. Dinarello С A. Interleukin-1 and interleukin-1 antago­nist//Blood. 1991. V. 77. P. 1627-1652.

  2. Schreiner G.F., Kohan D.E. The role of the macrophag­es in glomerular injury // Am. J. Physiol. 1990. V. 258. F761-F767.


ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 66

№ 12 1996