Mechanisms of the natural defenses of hosts to infection

Full Text

БУХАРИН Олег Валерьевич – академик РАН, главный научный сотрудник ИКВС УрО РАН.

 

Гипоталамо-гипофизарная нейросекреторная система хозяина. Особая структура нашего головного мозга – гипоталамуса – играет существенную роль в защите организма от инфекции. Многовековая эволюция клеток и тканей организма хозяина позволила сформировать центральный "пульт" управления защитой от микроорганизмов, создав гипоталамо-гипофизарную нейросекреторную систему (ГГНС).

Ключевое звено нейроэндокринной регуляции висцеральных функций эукариот – нонапептидные нейросекреторные продукты гипоталамуса [1]. Помимо известного ранее висцеротропного воздействия гипоталамических нейропептидов, продуцируемых крупноклеточными ядрами гипоталамуса (супраоптическим и паравентрикулярным) на клеточные и тканевые элементы, было показано, что эти гуморальные факторы обладают более широким метаболическим спектром биологических эффектов, включая их участие в регуляции элементарных процессов эмбриональных и репаративных гистогенезов. Результаты многолетних исследований [2, 3] позволили сформулировать положение о позитивной (оптимизирующей) роли гипоталамических нонапептидов в обеспечении процессов пролиферации, роста и цитодифференцировки тканей различного генеза. Эти эффекты расценены как доказательства адаптогенного значения гипоталамических нонапептидов, наиболее древних гуморальных субстратов в регуляции клеточного и тканевого гомеостаза ныне живущих организмов. Гипоталамические нонапептиды (окситоцин, вазопрессин) могут быть оценены по их эффективному влиянию на гомеостатические процессы эндокринных и неэндокринных эпителиев, а также других тканей. Это влияние можно интерпретировать с позиции создания регуляторного центра управления гомеостазом (в условиях сокультивирования аденогипофиза различных эпителиев и иных гистоструктур с крупноклеточными ядрами гипоталамуса), то есть условий, которые предполагают лучшую сохранность и мобилизацию репродуктивной активности клеток.

Эволюционно более древние гипоталамические нейрогормоны пептидергических нейросекреторных центров гипоталамуса можно рассматривать как эпигенетические факторы развития клеток и тканей. Вероятно, они могут выступать в качестве сигнальных макромолекул, оптимально регулирующих транскрипцию ДНК и репродукцию клеток и приводящих в ряде случаев к перепрограммированию режима работы ядерного аппарата эукариотической клетки с последующим изменением транскрипционно-трансляционного конвейера, активизации мембранных рецепторов и внутриклеточных мессенджерных систем. Определение окситоцина как одного из активных "игроков" в поддержании гомеостаза организма хозяина способствовало изучению механизмов этой защиты при инфекции.

Окситоцин и микроорганизмы. Уже первые работы в этом направлении показали, что окситоцин, хотя и не оказывал существенного антимикробного действия, был эффективен в отношении персистентного (адаптивного) потенциала микробных клеток. В исследовании in vitro препарат продемонстрировал выраженное ингибиторное действие в отношении самого универсального признака персистенции бактерий – их антилизоцимной активности [4, 5]. Антилизоцимный признак (АЛА) – это фактор защиты бактериальных клеток от вездесущего лизоцима (мурамидазы), которым наделены практически все биотопы организма человека и животных. Да иначе и быть не могло, так как всё живое должно быть защищено. Это закон природы. Когда же микробы атакуют организм человека, они прежде всего делают это в "экологических" целях, подыскивая подходящее "жилище". Расчищая себе убежище, они нейтрализуют лизоцим хозяина при помощи своей антилизоцимной активности, а патогены могут ещё и прокормиться за счёт лизоцима. Новые жильцы обустраиваются в организме хозяина. Формируется бактерионосительство, которое является прекрасной моделью для изучения персистенции бактерий. Отбор препаратов для снижения "аппетита" у патогенных микробов – важное направление медицины. Сегодня нужны новые подходы к отбору препаратов, подавляющих персистентный потенциал микроорганизмов, среди которых лидирующее место занимает золотистый стафилококк (Staphylococcus aureus), наиболее частый возбудитель гнойно-воспалительных процессов.

При проведении экспериментов in vitro О.Л. Чернова (1989) изучила действие ряда лекарственных препаратов в субингибиторных концентрациях. Такая работа могла бы способствовать отбору препаратов, подавляющих персистентные свойства микроорганизмов и, следовательно, пригодных для санации бактерионосительства [5]. Результаты опытов показали, что окситоцин оказался лучшим регулятором персистентного потенциала (по данным АЛА стафилококков). В тройке лидеров, подавляющих персистенцию стафилококков, – окситоцин, витамин А (масляный раствор) и интерферон. Сходный эффект оказывали масло шиповника и йодинол (для золотистого стафилококка). Лизоцим же в используемых дозах эффекта подавления АЛА у стафилококков не оказывал. Следует отметить, что сам окситоцин, не обладая антимикробным эффектом, подавлял персистентный потенциал микроорганизмов, что и было подтверждено исследованиями клинического профиля.

Приведём несколько результатов применения окситоцина в клинике [6]. При лечении женщин с лактационным маститом антибиотикотерапия (без применения окситоцина) значительно уступала комплексному лечению (с включением окситоцина). Эти различия заметны при сравнении сроков лечения больных (в койко-днях): группа сравнения – 9,6±0,9; комплексное лечение (антибиотик + окситоцин) – 6,5±0,2; в группе женщин, принимавших антибиотик, окситоцин и находившихся под воздействием гелий-неонового лазера (ГНЛ), этот показатель был также 6,5±0,7, и только подключение КВЧ-терапии (крайне высокочастотная) незначительно сократило эти сроки (6,0±0,3).

Применительно к окситоцину сходная тенденция к усилению антимикробного действия антибиотиков отмечена и при лечении постинъекционных абсцессов у пациентов. Оказалось, что у больных, получавших окситоцин и антибактериальную терапию, в более ранние сроки нормализуется температура, чаще прекращается образование экссудата в очаге воспаления и уменьшается число случаев неблагоприятного течения заболевания, в более ранние сроки наступает выздоровление. Также показано, что использование окситоцина в сочетании с антибиотиками в лечении больных (150 пациентов) другими гнойными заболеваниями мягких тканей обеспечивало их выздоровление через 4–7 дней, то есть в 1,8–4,4 раза быстрее, чем это предусмотрено медико-экономическими стандартами для таких нозологических форм, госпитализация пациентов была короче в 2–3 раза по сравнению с лечением традиционным способом.

 

Сравнительная оценка результатов лечения больных острой эмпиемой плевры и пиопневмотораксом

Показатель	Основная группа	Группа сравнения
Число больных	67	28
Сроки нормализации температуры тела, дни	13,8±1,2*	25,8±2,1
Сроки нормализации анализов периферической крови, дни	12,9±0,8*	26,2±2,9
Сроки нормализации рентгенологической картины, дни	15,0±1,0*	32,2±3,3
Сроки лечения, дни	26,0±1,2*	42,3±3,0
Оперативная активность, %	4,5*	28,6
Летальность, %	4,5	10,7
Переход в хроническую форму, %	8,1*	36,4

^* р < 0,01 для сравниваемых групп больных.

 

Не меньший интерес представляют и материалы О.М. Абрамзона [7], который, используя персистентный потенциал патогенов в качестве биомишени, реализовал его при разработке местного закрытого способа лечения больных с острыми гнойными заболеваниями лёгких и плевры. Используя окситоцин в комбинации с другими лекарственными препаратами для местного лечения больных с острыми гнойными заболеваниями лёгких и плевры, авторы получили обнадёживающие данные [8]. Исследования показали однотипный для аэробных и анаэробных изолятов характер динамики биологических свойств выделенной микрофлоры при обычном и затяжном течении заболевания и позволили выбрать наиболее информативные показатели (антилизоцимная, антикомплементарная (АКА) и гемолитическая (ГА) активности микроорганизмов), с помощью которых удалось на ранней стадии заболевания прогнозировать вариант его развития. Результаты эксперимента получили документальное подтверждение в клинике при местном применении комплексов "антибиотик + окситоцин" у пациентов с острыми нагноительными лёгочно-плевральными процессами, а также при профилактике эмпием плевры после пневмонэктомий (табл).

 

Популяционная структура Klebsiella pneumoniaе № 278 по АЛА и её изменение под влиянием окситоцина, ципрофлоксацина и их сочетаний (5%) Средний уровень АЛА Klebsiella pneumoniae № 278 был равен 1,27±0,03 мкг/мл•ОП

 

В работе Ю.И. Скоробогатых [9] установлено, что внесение в среду культивирования комбинации ципрофлоксацина с окситоцином приводило к снижению минимальной подавляющей концентрации (МПК) антимикробного препарата как S-, так и R-штаммов в 4–8 раз по сравнению с контролем. Отмечено исчезновение резистентности к ципрофлоксацину у всех исследуемых R-штаммов микроорганизмов. Среди облигатно-анаэробных бактерий МПК ципрофлоксацина при его сочетании с окситоцином снижалась в среднем в 4–6 раз, а среди факультативно-анаэробных патогенов – в 6–8 раз. Таким образом, чувствительность к ципрофлоксацину широко распространена среди штаммов возбудителей гнойно-воспалительных заболеваний (ГВЗ) мягких тканей. Однако в 17–50% случаев у микроорганизмов было выявлено наличие резистентности к препарату. Внесение же в среду культивирования ципрофлоксацина в сочетании с окситоцином способствовало не только повышению антибиотикочувствительности у S-штаммов, но и появлению чувствительности у R-штаммов, что может быть одним из возможных способов снижения антибиотикорезистентной госпитальной микрофлоры. Не исключено, что это явление связано с действием препарата на персистентный потенциал возбудителя инфекции. К тому же, как известно, препарат содержит циклопропильный радикал, ответственный за блокирование персистентных характеристик патогена, что продемонстрировано в работе Д.А. Кириллова [10]. Это положение было подтверждено и экспериментально с использованием других микробных культур с применением популяционного анализа (рис.). Сочетание ципрофлоксацина с окситоцином в сравнении с монопрепаратами приводило к снижению МПК для исследуемых видов микроорганизмов, что соответствовало не только повышению чувствительности к ципрофлоксацину антибиотикочувствительных культур, но и появлению антибиотикочувствительности штаммов к препарату у антибиотикорезистентных бактерий. Сочетание ципрофлоксацина с окситоцином оказалось более эффективным, чем отдельные препараты, подавляя не только АЛА, но и биоплёнкообразование патогенов.

По экспериментальным данным созданы опытные образцы мази для лечения гнойных ран в первой фазе раневого процесса (ципроксиновая мазь І), включающей ципрофлоксацин с окситоцином на базе полиэтиленоксида [11]. Использование комбинации "ципрофлоксацин + окситоцин" на основе кремнийорганического глицерогидрогеля позволило создать мазь (ципроксиновая мазь ІІ), пригодную для лечения II и III фаз гнойных ран [12].

Местное применение мази ципроксиновой І и ІІ в эксперименте обеспечивало более раннюю элиминацию микрофлоры из очага воспаления, прекращение выделения гнойного экссудата и стимуляцию репаративных процессов в ране, что в итоге вело к более быстрому выздоровлению. Исследования свидетельствуют о целесообразности совместного применения ципрофлоксацина с окситоцином и смесью полиэтиленоксидов при лечении гнойных ран в I фазу раневого процесса, а во II и III фазы – комбинацию ципрофлоксацина с окситоцином и кремнийорганическим глицерогидрогелем, что расширяет арсенал препаратов, эффективных в отношении хирургической инфекции мягких тканей.

Как известно, гипоталамические нонапептиды (вазопрессин и окситоцин) обладают широким диапазоном действия, являясь важнейшими регуляторными продуктами хозяина, принимающими участие в формировании гомеостаза организма [13]. Определена адаптогенная функция нонапептидов, реализующаяся в инфекционном процессе, обусловленном персистирующими патогенами [14].

Рассмотрение механизмов защитного действия окситоцина при инфекции выявило его опосредованное действие на микроорганизмы через иммуномодулирующий эффект: усиление бластной трансформации лимфоцитов, фагоцитарной реакции макрофагов [15] и прямое воздействие препарата на клетки прокариот за счёт подавления персистентного потенциала [8], включая биоплёнкообразование [9]. Предполагается, что слабый антимикробный эффект нонапептида связан преимущественно с влиянием препарата на клеточную стенку микроорганизмов, поскольку атомно-силовая и электронная микроскопия выявили физические изменения жёсткости цитоплазматической мембраны, дезорганизацию клеточной поверхности, а также разрыхление и везикуляцию нуклеоидных компонентов бактерий под действием окситоцина [14].

Обнаружено инсулиноподобное действие окситоцина in vitro и в эксперименте на животных, что реализуется путём увеличения синтеза гликогена из глюкозы, торможением липолиза и повышением внутриклеточного образования H₂O₂ [16]. Описана способность окситоцина стимулировать секрецию эндогенного инсулина в ряде работ [17, 18]. Помимо этого, имеется положительный опыт применения окситоцина при лечении гнойных заболеваний мягких тканей на фоне сахарного диабета, диабетических гнойно-некротических поражений стоп. Была разработана оригинальная методика лечения больных с диабетическими гнойно-некротическими поражениями стоп, включающая применение окситоцина в ходе комплексного лечения [19]. Исследуя биоптаты (материалы, полученные путём биопсии) из зон поражений, авторы выявили уменьшение некробиотических и некротических изменений в тканях кожи, гиподермы и скелетных мышцах, увеличение синтеза ДНК в адвентициальных клетках, фибробластах и эндотелиоцитах. Включение в комплексную терапию окситоцина в определённой степени корригировало нарушенную в условиях сахарного диабета клеточную репродукцию. Окситоцин оказывал существенное стимулирующее влияние на репаративную регенерацию тканей в ране у больного сахарным диабетом, что приводило к эффективному очищению раны и формированию полноценной грануляционной ткани, создающей адекватные условия для репарации раневой поверхности.

Интегративные взаимоотношения микробиоты и хозяина. Как же складываются такие отношения? Насколько мы продвинулись в понимании этого вопроса? Известно, что грамотрицательные бактерии способны взаимодействовать с сигнальными молекулами иммунной системы человека, к которым относят полипептидные сигнальные молекулы – цитокины. Баланс этих регуляторных молекул важен для гомеостаза человека, так как цитокины принимают участие в регуляции иммунного ответа при инфекции [20]. Выработка цитокинов в ответ на присутствие микроорганизмов предполагает не только опосредованный (через регуляцию иммунитета), но и прямой контакт бактерий с данными сигнальными молекулами. В связи с этим было изучено влияние цитокинов на физиологические свойства (рост/размножение) бактерий в условиях in vitro [21]. Оказалось, что интерлейкин IL-1, IL-2, IL-6, интерферон (INF) – ã [22], фактор некроза опухоли (TNF) – á [23] способствуют росту бактерий, за исключением IL-4 [24]. На модели культуры чумной палочки (Yersinia pestis) было показано наличие микробного рецептора, белка Caf1A (антиген сборки капсулы F1), локализованного в наружной мембране, способного связываться c IL-1 â [25]. В наружной мембране синегнойной палочки (Pseudomonas aeruginosa) обнаружен белок, специфически связывающийся с INF-ã, что приводит к продукции сидерофора пиоцианина псевдомонады и активации механизмов кворума данного вида бактерий [26].

Сегодня признано, что микробиота со своей стороны способна оказывать влияние на продукцию определённого вида цитокинов в качестве ростовых факторов и стимуляции/супрессии их синтеза [27]. Некоторые патогенные и условно-патогенные бактерии секретируют ферменты, позволяющие микроорганизмам расщеплять основные виды органических макромолекул. Инактивация цитокинов, являющихся продуктом активированных Т-лимфоцитов, макрофагов, дендритных клеток, может повлечь значительные нарушения механизмов врождённого и адаптивного иммунитета.

Ещё одно подтверждение интеграции микробиоты и хозяина посредством влияния сигнальных молекул микроорганизмов на иммунитет человека получено в работе А.С. Петровского (2012). Автор выявил изменение функциональной активности и субстратной специфичности лизоцима под влиянием гомологов алкилоксибензолов (АОБ). Выяснилось, что лизоцим, модифицированный С7-АОБ, активен как в отношении хитина и, следовательно, грибов, так и интактных дрожжевых клеток Saccharomyces cerevisiae. Максимальный выход редуцирующих сахаров в обоих вариантах наблюдался при концентрации С7-АОБ 2 мг/мл [28].

Анализ приведённых данных свидетельствует, что интеграция молекулярных систем микросимбионтов и макропартнёра (хозяина), вероятно, осуществляется посредством сигнальных молекул: со стороны микробиоты – низкомолекулярных метаболитов, медиаторов кворума и др., а со стороны хозяина – медиаторов гормональной и иммунной систем. Не исключено, что в условиях симбиоза сформирована единая регуляторная среда, определяющая многообразие этих связей. Примером тому может служить кишечно-мозговая ось (бинаправленная коммуникативная система, посредством которой мозг модулирует функции желудочно-кишечного тракта, и наоборот), которая вызывает у исследователей большой интерес [29]. Ещё в работе Дж. Камары (2009) описана двусторонняя связь между желудочно-кишечным трактом и мозгом, имеющая большое значение для поддержания гомеостаза организма человека, в основе которого лежит гормональная, иммунологическая и нейронная регуляция. Регуляция гомеостаза кишечной микробиоты организма хозяина, по всей видимости, осуществляется через специализированные (дендритные) клетки, которые поддерживают коммуникативные связи с другими микробными клетками, в конечном счёте сигналы поступают в гипоталамо-гипофизарную систему (ГГНС) для принятия правильного решения – нужна защита хозяина или нет? Вот почему справедливо считают, что "разговор" микробов друг с другом и с хозяином –важнейшее звено в принятии решения, то есть разговор микроорганизмов – важнейшая компонента общения [29, 30].

Следует признать, что связь кишечной микробиоты с поведенческими реакциями хозяина представляет интерес не только для клиницистов, но и для специалистов-теоретиков [31]. Используется даже термин "ось микробиота – кишечник – мозг" (ось МКМ). Выявление корреляции состояния пациентов (энцефалопатия, депрессия, беспокойство и др.) с изменением кишечной микробиоты подтверждено исследованиями in vitro, в которых было показано, что кишечные инфекции, обусловленные патогенными бактериями, вызывают у экспериментальных животных тревогу, регулируя уровень адренокортикотропного гормона (АКТГ) у мышей [32], тогда как назначение пробиотиков (Bifidobacterium longum и Lactobacillus helveticus) приводило к снижению беспокойства.

Роль микробного фактора, в частности микробиома, трудно переоценить, и уж если он создан природой и сосуществует с хозяином много веков, то остаётся лишь понять его физиологическое назначение. Нетрудно заметить, что наличие в организме млекопитающих такого универсального и мощного центра управления здоровьем, как ГГНС, продуцирующей нонапептидные нейросекреторные гипоталамические гормоны (окситоцин и вазопрессин), не может оставить микробиом "без работы". Оказалось, что кишечная микрофлора, стимулируя иммунную защиту хозяина, защищает организм весьма любопытным способом – за счёт транслокации полезной микрофлоры хозяина и её метаболитов [33]. И это не единственно полезная функция гипоталамического гормона окситоцина. Известно, что он осуществляет многофункциональную защиту хозяина: вмешивается в репродуктивную функцию, в процессы ожирения, влияет на социальное поведение, улучшает настроение и самочувствие и, наконец, поддерживает качество жизни и здоровье [34].

Микробная регуляция продукции нейропептидного гормона окситоцина в эксперименте стала возможной при введении хозяину пробиотических модельных микроорганизмов, а это открывает перспективы в получении новых биоэффектов микробиоты. Связь окситоцина с процессами ожирения, репродуктивного здоровья, врождённого иммунитета вкупе с уже приведёнными материалами даёт основание признать этот нейрогормон универсально-глобальным гормональным регулятором, определяющим новые возможности в улучшении нашего физического, интеллектуального и социального статуса (здоровья). Не исключено, что описанные эффекты полезной работы окситоцина в регуляции гомеостаза хозяина ещё не раскрыты полностью, но это дело лишь времени и смелости ума. Уже сегодня возросший интерес к этой проблеме является залогом новых находок и решений в описанном нами треугольнике: ГГНС–окситоцин–микробиота. А это уже новый свет, появившийся в конце "туннеля".

About the authors

O. V. Bukharin

FSIS (Federal State Institution of Science) Orenburg Federal Research Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences; Institute for Cellular and Intracellular Symbiosis of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: onckadri@mail.ru

Academician of the Russian Academy of Sciences, Chief Scientific

Russian Federation, Orenburg

References

Supplementary files