Role sialic acids in maintenance of an immune homeostasis

Full Text

В настоящее время происходит как открытие новых, так и переосмысливание старых фактов, играющих важную роль в иммунном гомеостазе. По- иск новых факторов, изучение их свойств позволяет лучше понимать развитие защитных механизмов иммунитета. В последнее время особый интерес ис- следователей обращён на сиаловые кислоты, их роль в поддержании динамического равновесия иммунного гомеостаза, особенно механизмов врожденного им- мунитета, противоопухолевого иммунитета. Ранее к факторам врожденного иммунитета иммунологи от- носили те, которым присущи лишь неспецифические эффекты. Однако сейчас известно, что граница между врожденным и адаптивным иммунитетами весьма условна, они теснейшим образом взаимосвязаны. От состояния врожденного иммунитета зависит и эффективность развития высокоспецифичного - при- обретенного иммунитета. Сиаловым кислотам (СК) свойственно развитие как чисто неспецифических защитных эффектов, так и специфических, обеспечивающих взаимодействие микробных агентов со специфичными рецепторами иммунокомпетентных клеток. Так, в настоящее время накоплены факты, отражающие важнейшую роль СК в обеспечении устойчивости макроорганизма к патоге- нам различной природы, а также в развитии сомати- ческой патологии. Содержание СК в крови является дополнительной диагностической пробой при неко- торых воспалительных заболеваниях, имеющих ау- тоиммунный характер (артритах, полиартритах, рев- матоидном артрите и др.), характеризующей степень воспалительного процесса [5, 6]. Концентрация СК в крови резко повышается и при многих других острых и хронических воспалительных заболеваниях. СК в зна- чительной степени определяют способность клеток к адгезии. Предполагают, что СК маскируют остатки сахаров, являющихся антигенными детерминантами в гликопротеидах, тем самым способствуя адаптации патогенов в макроорганизме. Удаление СК из глико- протеидов или с поверхности клеток повышает их иммуногенность. Уровень гексоз, ассоциированных с белком, возрастает при некробиотических процессах, сопровождающихся постепенным отмиранием клеток. Это может наблюдаться при таких заболеваниях, как хронический холецистит с желтушным синдромом, деструктивный туберкулез легких, ревматизм и др. [1, 8]. Концентрация сиаловых кислот также возрастает при сиалидозе, инфаркте миокарда, онкологических заболеваниях, в том числе и при опухолях головного мозга. Особенно высокий рост этого показателя от- мечается при активной форме туберкулеза и ревма- тизме, при паренхиматозной желтухе. После отще- пления от белково-углеводных комплексов тканей свободные СК инактивируют многие бактериальные ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ ВОЕННО-МЕДИЦИНСКОЙ АКАДЕМИИ 3 (63) - 2018 233 Обзоры и вирусные агенты. Поэтому увеличение содержания в крови сиалогликопротеинов может быть проявле- нием компенсаторной, защитной реакции организма. Иногда содержание СК остается повышенным при от- сутствии сдвигов со стороны всех других показателей и исчезновении клинических признаков болезни, что может использоваться для истинной оценки состояния макроорганизма. При неспецифических заболеваниях легких содержание СК может превышать норму в 1,5-2 раза. И наоборот, при болезни Вильсона, пернициоз- ной анемии, дегенеративных изменениях в нервной системе отмечается снижение концентрации СК. Так, снижение уровня гексоз отмечается при нарушении печеночного синтеза белков, это явление возника- ет при гепатоцеллюлярной и гепатоцеребральной дистрофии, при рассеянном склерозе, при циррозе печени алкогольной этиологии [3, 10]. СК - ациальные производные нейраминовой кислоты - присутствуют во всех тканях и жидкостях организма животных и человека, а также у некоторых микроорганизмов. У человека в норме наибольшее количество СК обнаруживается в слюнных железах, в секретах слизистых оболочек, а также в сыворот- ке крови, где их содержание резко повышается при воспалительных процессах. СК локализуются на по- верхностях клеток, выполняя важные посреднические функции при взаимодействии клеток с соединитель- ными тканями (например, коллагеном) и компонента- ми жидкой соединительной ткани (лимфой и плазмой крови). Эти функции диктуются способностью СК связывать белки, циркулирующие между клеткой и внеклеточными веществами, некоторыми гормонами, а также лимфоцитами и эритроцитами, что делает их важным компонентом иммунного гомеостаза. СК являются полифункциональными соединениями с сильными кислотными свойствами, что обеспечивает их выраженные микробицидные эффекты. Как пра- вило, в свободном виде в норме они не встречаются, а входят в состав различных углеводсодержащих веществ, таких как гликопротеины, гликолипиды (ганглиозиды), олигосахариды. Занимая в молекулах этих веществ концевое положение, СК оказывают значительное влияние на их физико-химические свойства и биологическую активность. СК являются семейством заряженных моносахаридов с цепью из девяти атомов углерода, производных нейрами- новой кислоты. Последняя является единственной СК, образуемой в организме человека в естествен- ных условиях. У позвоночных также присутствуют и N-гликолилнейраминовые кислоты [6, 13, 14, 19]. Установлена генетически обусловленная недо- статочность фермента нейраминидазы, котoрая служит причиной возникновения наследственных болезней накопления - сиалидозов. Так, избыточная экскреция сиалоолигосахаридов с мочой наблюда- ется при сиалидозах - группе заболеваний, вызван- ных недостаточностью нейраминидазы, фермента, отщепляющего концевые остатки СК от различных содержащих их веществ. Сиалидозы представляют собой наследственные болезни накопления, передающиеся по аутосомно-рецессивному типу насле- дования. Характерными клиническими признаками сиалидозов являются миоклонические судороги, появление на глазном дне пятна типа «вишневой косточки», прогрессирующая слепота. Различают сиалидозы 1-го типа, клиническая картина которых характеризуется отсутствием умственной отсталости и признаков дисморфизма, а также сиалидозы 2-го типа, характеризующиеся умственной отсталостью и дисморфическими признаками. Содержание от- дельных сиалоолигосахаридов в моче больных си- алидозами превышает норму более чем в 100 раз. Окончательный диагноз может быть поставлен только после установления недостаточности нейраминидазы в лейкоцитах и культуре кожных фибробластов. Опи- саны также случаи сиалурии, когда у больного с мочой выделялось огромное количество СК (до 7 г в сутки) в виде свободной N-ацетилнейраминовой кислоты [4, 7, 10, 11]. В неацилированном состоянии нейраминовая кислота является нестойким веществом и в природе не встречается [9, 19]. Определение количества СК в крови используют как диагностическую и прогности- ческую биохимическую пробу. СК помогают обеспечивать защиту слизистых обо- лочек от химических и механических повреждений, а также снижают адгезионные возможности микро- организмов. Установлено, что СК создают высокую плотность отрицательного заряда на молекулах глико- протеидов и муцинов и тем самым обусловливают вы- тянутую, палочковидную форму их молекул, благодаря которой секреты слизистых оболочек дыхательных путей, кишечника и половых путей, отличающиеся большим содержанием сиалогликопротеидов, об- ладают высокой вязкостью, что обеспечивает защиту слизистых оболочек от проникновения бактерий, а также от механических и химических повреждений [8, 11]. Наличие в составе белков крови СК помогает определять длительность циркуляции данных со- единений в кровотоке. Было установлено, что СК представляют собой компоненты клеточных рецеп- торов, которые специфичны для вирусов семейства Adenoviridae, ротавирусов (Reoviridae), вирусов гриппа (Orthomyxoviridae), а также для многих грам- положительных бактерий. Длительность циркуляции некоторых клеток крови в кровотоке зависит также от отсутствия или наличия СК на их поверхности [3, 17]. Установлено, что процесс старения эритроцитов связан с уменьшением количества СК в их оболочке. Содержание в сыворотке крови СК здорового чело- века составляет 620-730 мг/л (2,33 ммоль/л) [1, 6]. Время циркуляции в кровотоке некоторых белков крови (церулоплазмина), гормонов (хорионического гонадотропина, фолликулостимулирующего и лютеи- низирующего гормонов и др.) после отщепления от их молекул СК резко сокращается. Асиалогликопротеиды имеют на конце углеводной цепи, как правило, галак- тозу, что делает возможным их поглощение печенью, которое, в свою очередь, обеспечивается специфи- ческими рецепторами, содержащими СК. Потерю 234 3 (63) - 2018 ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ ВОЕННО-МЕДИЦИНСКОЙ АКАДЕМИИ Обзоры биологической активности некоторыми гормонами после их десиалирования объясняют теперь именно их исчезновением из кровотока. Продолжительность циркуляции в кровотоке некоторых клеток крови также уменьшается после удаления с их поверхности СК [6]. СК в составе гликопротеидов секрета слизистых оболочек половых путей играют существенную роль и в процессе оплодотворения. Вязкость секрета в шейке матки снижается только во время овуляции, облегчая доступ сперматозоидам к яйцеклетке. СК являются важным компонентом блестящей зоны (zona pellucida) яйцеклетки млекопитающих: после удаления СК спер- матозоиды не могут проникнуть внутрь яйцеклетки [5]. Известно, что при развитии вторичных иммуно- дефицитных состояний снижаются функциональные возможности многих компонентов иммунной системы. Старение - физиологический процесс, который за- трагивает как человека, так и животных, приводит к снижению функциональных возможностей иммунной системы, а в итоге к повышению восприимчивости к экзогенным и эндогенным микробным агентам и к увеличению заболеваемости, которая у пожилых лю- дей часто заканчивается летальным исходом. Одну из многих причин формирования иммунологической несостоятельности при старении связывают с СК. Это было подтверждено положительными результатами с применением композиций СК лицам с различными вариантами несостоятельности иммунной системы. Такой подход оказался особенно эффективным при укреплении иммунной системы в пожилом возрасте. Так, было показано, что введение СК старым мышам приводило к улучшению клеточного иммунного ответа. В печени животных повышалась экспрессия генов, кодирующих противовоспалительные молекулы, по сравнению с контрольными животными. По всей види- мости, эти эффекты связаны с введением компонен- тов СК. Высказано предположение, что использование композиций с СК позволит увеличить эффективность вакцинопрофилактики гриппа, пневмоний, гепатита В, туберкулеза, дифтерии, столбняка у иммунокомпро- метированных лиц. В опытах на мышах было показано, что композиции с СК позволяют повысить микроби- цидные эффекты натуральных киллеров, фагоцитов, а также процессы адгезии нейтрофилов. Также было показано, что эффективность композиций с СК го- раздо выше с использованием таких пробиотических микроорганизмов, как Bifidobacterium, Lactobacillus, Streptococcus и Saccharomyces, или их смесей, в частности, они выбираются из группы, состоящей из Bifidobacterium longum, Bifidobacterium lactis, Lactobacillus Acidophilus, Lactobacillus rhamnosus, La cto bac ill us p ara cas ei, L ac tob acil lu s jo hns onii , Lactobacillus plantarum, Lactobacillus saliv arius, Enterococcus faecium, Saccharomyces boulardii и Lactobacillus reuteri или их смесей, предпочтительно выбираются из группы, состоящей из Lactobacillus johnsonii, Bifidobacterium longum, Bifidobacterium longum, Bifidobacterium lactis, Lactobacillus paracasei, Lactobacillus rhamnosus, Enterococcus faecium [1, 5, 12, 15, 19]. Другим важным направлением изучения участия СК являются опухолеассоциированные процессы. Так, наряду с антигенами опухолевой клетки на ее поверх- ности могут находиться и другие антигены различной природы, не относящиеся к опухолевым. Частота и уровень экспрессии этих антигенов может существен- но изменяться в динамике опухолевого роста. Такие неопухолевые антигены (к их числу, в первую очередь, могут быть отнесены фибрин, полимеризированные формы сывороточного альбумина, а также различные углеводные структуры (карбогидраты), к которым и принадлежат СК, сиаловые димеры, ганглиозиды, муцин и другие) способны выраженно изменять про- цесс распознавания опухолевых антигенов. Это свя- зано с тем, что опухолевые клетки обрабатываются ферментами, что приводит к деградации антигенов на поверхности клетки. Из неопухолевых антигенов особое внимание привлекают муцин и СК. Это свя- зано с тем, что их состав в динамике роста опухоли изменяется очень быстро. Поэтому вполне вероятно, что известная антигенная гетерогенность опухолевой клетки и изменчивость ее антигенной структуры в значительной мере может зависеть от этих структур. Если учесть, что углеводные структуры играют очень важную роль в межклеточных взаимодействиях клеток и их дифференцировке, становится понятным особый интерес к их изучению. Этот интерес обосновывает- ся следующими фактами: 1) экспрессия углеводных антигенов на поверхности опухолевой клетки может индуцировать их распознавание цитотоксическими лимфоцитами (ЦТЛ); 2) в некоторых случаях углевод- ные структуры могут быть причиной развития имму- нологической толерантности; 3) возможно участие углеводных антигенов в неконтролируемом росте, инвазии и метастазировании опухолевых клеток [2, 5, 8, 11, 15]. Находящиеся на поверхности опухолевых клеток углеводные антигены могут иметь различное значение: в одних случаях оно преимущественно отрицательное, в других - неоднозначное. Негативное влияние наличия большого количества углеводных и других структур на поверхности опухолевой клетки связано с образова- нием фибринового вала, окружающего опухолевую клетку, что делает ее недоступной для распознавания. Доказательством негативного влияния СК для раз- вития иммунного ответа является то, что сиаловый димер - антиген Le(x) распознается адгезивными мо- лекулами. В результате такого распознавания может усилиться образование метастазов, что подтверждено при исследовании клеток карциномы мочевого пузы- ря. Таким образом, негативное влияние СК сводится или к торможению распознавания, или к усилению метастазирования. Подтверждением неоднознач- ности влияния на процесс распознавания может быть экспрессия различных форм муцина, а также таких карбогидратных антигенов, как sialyl-Le(a), sialyl-Le(x), Ley, Tn и др. В результате муцин на поверхности опу- холевой клетки может быть как предметом распозна- вания, так и индуктором толерантности. Экспрессия этих антигенов исследована при плоскоклеточной ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ ВОЕННО-МЕДИЦИНСКОЙ АКАДЕМИИ 3 (63) - 2018 235 Обзоры карциноме головы и шеи, раке щитовидной железы, прямой кишки, молочной железы, яичника, карциномах гортани, желудка и др. В настоящее время известны различные изоформы муцина (MUC1, MUC2, MUC3, MUC4, MUC5, MUC6), из которых наиболее изучен MUC1 - трансмембранный гликопротеин, высокогли- колизированная молекула, которая экспрессируется на многих нормальных и злокачественно трансформи- рованных эпителиальных клетках (аденокарциномах), включая молочную и поджелудочную железы, легкие, кишечник, простату, яичник. При многих опухолях количество MUC1 увеличивается, уменьшается его поляризация и усиливается гликолизирование, что делает MUC1 более чувствительным к распознаванию и действию различных эффекторных механизмов. Из- учение различных изоформ муцина человека, а также других карбогидратных антигенов при дисплазиях и злокачественных опухолях прямой кишки привело к заключению об их разном значении для оценки осо- бенностей течения опухолевого процесса. Экспрессия LeyTn и MUC1 коррелирует с уровнем злокачественной трансформации при раке прямой кишки, в то время как MUC2 может быть маркером низкодифференцирован- ных дисплазий. Высокий уровень экспрессии MUC1, Tn, sialyl Lewis наблюдали в клетках плоскоклеточной карциномы головы и шеи при отсутствии выражен- ных различий в зависимости от локализации, массы опухоли и метастазирования в лимфатические узлы. Не было обнаружено связи между экспрессией этих антигенов и состоянием больного. MUC1 может быть предметом распознавания и индуцировать появление MUC1-специфических ЦТЛ, что показано в опытах с MUC1-трансгенными мышами. Появление муцина на поверхности покоящихся Т-лимфоцитов может пре- пятствовать активации этих клеток при поступлении соответствующих стимулов, что показано при иссле- довании покоящихся Т-лимфоцитов периферической крови. Такая негативная регуляция проявлялась в ингибиции пролиферации продукции интерлейкина 2 (IL-2) и гранулоцитарно-моноцитарного колониести- мулирующего фактора (GM-CSF) этими клетками. При исследовании клеток рака кишечника было показано, что MUC1 и MUC2 индуцируют экспрессию матричной рибонуклеиновой кислоты, IL-2 и секрецию этого ци- токина стимулированными СD4+Т-лимфоцитами, не оказывая ингибирующего влияния на продукцию IL-10 и трансформирующего ростового фактора - [5, 8, 10, 12, 15, 17]. Установлено, что экспрессия отдельных форм муцина имеет различное прогностическое значение. Так, экспрессия MUC1 сочетается с менее благопри- ятным прогнозом. Экспрессия MUC2, MUC5 и MUC6 не коррелирует с выживаемостью. Полученные данные свидетельствуют о возможности использования MUC1 как прогностического маркера [6, 11, 14]. Таким образом, информация об экспрессии тех или иных антигенов опухолевой клетки может служить одним из основных критериев оценки опухолеассоци- ированного процесса и проведения иммунотерапии. Есть все основания полагать, что перспективы имму- нотерапии станут еще более реальными благодаря начавшемуся получению синтетических аналогов различных опухолевых пептидов. При этом возмож- ности повышения эффективности противоопухолевых вакцин могут быть существенно расширены, если учесть, что ряд цитокинов, прежде всего GM-CSF, интерферон γ, IL-4, способны усиливать экспрессию опухолевых антигенов. Обобщая приведенную инфор- мацию об опухолеассоциированных процессах, не- смотря на неоднозначность трактовок, можно сделать предварительные выводы о динамике опухолевого процесса и роли в нем антигенов различной природы. 1. Антигены опухолевой клетки представлены широ- ким спектром субстанций, которые кодируются различ- ными генами, отличаются биохимическими свойствами, презентируются различными молекулами главного ком- плекса гистосовместимости, распознаются различными антигенпрезентирующими клетками и могут находиться в растворимой и мембранно-связанной формах. 2. Частота и уровень экспрессии отдельных анти- генов различных опухолей неодинаковы и во многом зависят от фенотипических особенностей опухолевых клеток, гистогенеза и локализации опухоли, микро- окружения и цитокиновой регуляции. 3. Истинными опухолеспецифическими антигена- ми являются продукты многих поврежденных генов (точечные мутации, трансляция, делеция), которые индуцируют иммунологический ответ высокой степе- ни специфичности, что и позволяет рассматривать их как надежные мишени для распознавания. 4. Практически все известные антигены опухоле- вой клетки при определенных условиях могут распоз- наваться CD4+- или СD8+-Т-лимфоцитами. 5. Анализ частоты экспрессии разных антигенов на клетках различных опухолей во многих случаях может быть использован для оценки прогноза и степени злокачественности опухолевого процесса. 6. Все известные антигены опухолей могут быть мишенью для распознавания, что определяет широ- кие возможности их использования для получения как моно-, так и поливалентных вакцин с целью им- мунотерапии.

About the authors

A V Moskalev

Email: vmeda-nio@mil.ru

V B Sboychakov

Email: vmeda-nio@mil.ru

A V Apchel

Email: vmeda-nio@mil.ru

V N Tsygan

Email: vmeda-nio@mil.ru

References

Supplementary files