THE ROLE OF MELATONIN IN THE IMMUNE RESPONSE REGULATION

Full Text

В последние годы внимание ученых приковано к изучению нейроэндокринных и молекулярных механизмов формирования иммунного ответа организма человека. Одним из факторов, оказывающих влияние на иммунитет, является мелатонин. Несмотря на то, что его роль в поддержании иммунологического гомеостаза еще до конца не определена, достаточно много исследований, проводимых в данном научном направлении, указывают на значимость данного фактора в патогенезе ряда инфекционных заболеваний. Известно, что мелатонин - это основной гормон эпифиза, принимающий не только активное участие в процессах регуляции циркадного ритма всех живых организмов, но и проявляющий антиоксидантную активность. Синтезируется он из триптофана преимущественно в шишковидной железе. При этом его секреция регулируется супрахиазматическим ядром гипоталамуса и в этом процессе участвуют по крайней мере четыре фермента (среди них серотонин N-ацетилтрансфераза считается ферментом, ограничивающим скорость в регуляции биосинтеза мелатонина) [1]. Особого внимания заслуживает регуляция секреции данного биологически активного вещества (БАВ). В светлое время суток фоторецепторные клетки сетчатки глаза гиперполяризованы, нервный сигнал не поступает в супрахиазматические ядра и тормозит выделение норадреналина. В это время система «ретиногипоталамус - эпифиз» находится в покое и мелатонин секретируется в низких концентрациях. С наступлением темноты гиперполяризация фоторецепторов исчезает и нервный сигнал освобождает норадреналин, тем самым активируя систему «ретино-гипоталамус - эпифиз». Возрастает активность ферментов, которые регулируют синтез мелатонина, инициируя его секрецию. К тому же кроме суточного, существует и сезонный ритм мелатонина. Поздней осенью и зимой в связи с уменьшением светового дня уровень гормона в организме возрастает. Весной и летом, наоборот, концентрация мелатонина в организме снижается [2]. Период полувыведения мелатонина в сыворотке крови колеблется от менее 30 до 60 минут. Он метаболизируется в первую очередь в печени и во вторую очередь в почках [17]. Помимо эпифиза, мелатонин продуцируется также сетчатой оболочкой глаза, клетками АПУД-системы различных органов и тканей (желудочно-кишечный тракт, дыхательные пути, поджелудочная железа, надпочечники, щитовидная железа, тимус, мозжечок, мочеполовая система, плацента), а также неэндокринными клетками (тучные клетки, естественные киллеры, эозинофильные лейкоциты, тромбоциты, эндотелиальные клетки). Транспортной формой для мелатонина в крови является альбумин. Высокая липофильность мелатонина обеспечивает его быстрое проникновение через клеточные мембраны. В ночное время уровень мелатонина увеличивается в жидкости спинного мозга, фолликулов яичников, семенной жидкости и жидкости передней камеры глаза. После освобожде-ния от связи с альбумином мелатонин связывается со специфическими рецепторами клеток-мишеней, проникает в ядро клетки и реализует свое действие на уровне генома. Ядерные рецепторы к мелатонину обнаружены в различных ядрах гипоталамуса, сетчатке глаза и других тканях нейрогенной и ненейрогенной природы. Основной метаболит мелатонина в моче -6-гидроксимелатонин-сульфат, величина выведения которого с мочой соответствует концентрации мелатонина в сыворотке [1]. Особого внимания заслуживают исследования, свидетельствующие о значительной роли мелатонина в регуляции работы иммунной системы (рис.). Рис. Роль мелатонина в регуляции физиологических процессов Так, взаимосвязь между шишковидной железой и иммунитетом была установлена еще до открытия мелатонина Аарон Лернером в 1958 году. Первые исследования секрета пинеальной железы были проведены Мак Кордом и Алленом в 1917 году, когда они пытались выделить фактор, ответственный за осветление кожи у земноводных. А в 1926 году Берман сообщил о повышении устойчивости к инфекционным заболеваниям у котят, которых кормили в течение двух лет экстрактами шишковидной железы молодых бычков. В дальнейшем было обнаружено, что возрастающие дозы мелатонина (от 0,25 до 1 мг/кг), вводимые мышам, инфицированным вирусом венесуэльского конского энцефаломиелита (VEEV), снижают смертность до 16 % по сравнению со 100%-й смертностью у мышей, не получавших мелатонин [2]. Мелатонин снижает вирусную нагрузку в головном мозге иммуно-компетентных мышей, за исключением иммуносупрес-сированных животных, что говорит о необходимости целостности иммунной системы для противовирусной активности данного БАВ. Кроме того, мелатонин значительно увеличивал сывороточные уровни TNF-a, IL-1p и IFN-y. Блокирование IL-1p антителами против мышиного IL-1p полностью нейтрализует защитную роль мелатонина, что позволяет предположить, что IL-1p является основной мишенью для быстрого выведения вируса, под действием мелатонина. Мелатонин также увеличивает уровни IL-1p в головном мозге инфицированных животных, в то время как индоламин снижает выработку TNF-a, способствуя локальному контролю воспалительной реакции в головном мозге. В дополнение к модуляции продукции цитокинов обработка мелатонином снижает высокие концентрации нитритов и снижает количество продуктов перекисного окисления липидов в мозге и сыворотке инфицированных мышей. Также показано, что введение мелатонина предотвращает паралич и смерть мышей, инфицированных сублетальными дозами вируса энцефаломиокардита (EMCV), после острого стресса. Мелатонин также снижает смертность норок, вызванную стойкой парвовирусной инфекцией (алеутской болезнью), способствует формированию выраженной гипергамма-глобулинемии и предотвращает поражение тканей, опосредованное иммунными комплексами. Противовирусную активность мелатонина также оценивали на нормальных мышах, инокулированных вирусом SFV, и на мышах, подвергшихся стрессу, которым вводили ослабленный неинвазивный вирус Западного Нила (WN-25). Ежедневное введение мелатонина, начинающееся за три дня до инокуляции вируса и продолжающееся через 10 дней после инокуляции, уменьшало виремию, значительно снижало смертность и отсрочивало начало болезни и смерть [10]. В исследовании Gitto E. и соавт. было установлено, что экспериментальный синдром приобретенного иммунодефицита (СПИД) мышей, индуцированный ретровирусом лейкемии LP-BM5, вызывает ингибирование высвобождения цитокинов Th1, стимулирует секрецию цитокинов Th2, усиливает перекисное окисление липидов в печени и вызывает дефицит витамина E. Введение дегидроэпиандростерона (ДГЭА) и/или мелатонина предотвращало снижение пролиферации В- и Т-клеток и секреции цитокинов Th1 у самок мышей C57BL/6 со СПИДом [5]. Что касается СПИДа, вызванного вирусом иммунодефицита человека типа I (ВИЧ-1), была продемонстрирована положительная корреляция между уровнями мелатонина и IL-12 в сыворотке крови. Кроме того, наблюдалась отрицательная корреляция между уровнем мелатонина и РНК ВИЧ-1 в плазме. Также доказательством влияния данного БАВ является то, что уровни мелатонина в сыворотке крови у ВИЧ-1-инфицированных людей были значительно ниже, чем у здоровых людей из контрольной группы [11]. Результаты, подтверждающие антиоксидантную активность мелатонина, были получены в исследованиях, проведенных на респираторно-синцитиальной вирусной инфекции (РСВ). РСВ является частой причиной бронхиолита - тяжелого заболевания нижних дыхательных путей, которое поражает почти всех младенцев в возрасте до трех лет во всем мире. Это расстройство характеризуется обширным повреждением эпителиальных клеток бронхов и массивной инфильтрацией и активацией воспалительных клеток в дыхательных путях с выработкой активных форм кислорода. Так, у мышей, привитых интраназально РСВ, наблюдалось повышение окислительного стресса за счет повышения активности оксида азота (NO), гидроксильного радикала (•OH) и малонового диальдегида (МДА), связанного с противоположным снижением активности глутатиона (GSH) и супероксиддисмутазы (СОД). Предварительная обработка животных мелатонином приводила к выраженному снижению острого окислительного повреждения легких с подавлением генерации свободных радикалов и восстановлением уровней GSH и СОД в легких [3]. Выработка провоспалительных и прооксидантных цитокинов в ответ на РСВ-инфекцию индуцируется распознаванием Толл-подобными рецепторами (TLR) вирусной двухцепочечной РНК, продуцируемой при вирусной репликации. Нисходящий сигнальный путь от TLR приводит к активации регуляторного фактора интерферона (IFN)-3 и/или NF-kB и последующей экспрессии многочисленных провоспалительных факторов. Было показано, что мелатонин снижает TLR-опосредованную нисходящую экспрессию генов в RSV-инфицированных макрофагах и последующую NF-kB-зависимую экспрессию генов, таких как кодирующие TNF-a и iNOS. Эти результаты позволяют предположить, что при РСВ-инфекции мелатонин может, по крайней мере частично, предотвращать повреждение структуры дыхательных путей за счет ингибирования окислительного стресса и продукции провоспалительных цитокинов и, следовательно, быть полезным терапевтическим агентом при РСВ-индуцированном легочном заболевании. Последние данные свидетельствуют, что респираторные расстройства, индуцируемые многими другими вирусными патогенами человека, могут быть результатом обильной генерации активных форм кислорода в оспалительными клетками в ответ на инфекцию [4]. Наконец, было установлено, что мелатонин эффективен в исследованиях, выполненных на младенцах с расстройством, характеризующимся чрезмерной воспалительной реакцией и окислительным повреждением, подавляющим физиологические про-тивовоспалительные/антиоксидантные сигнальные процессы. Действительно, положительные эффекты лечения мелатонином были зарегистрированы: а) новорожденных с сепсисом, у которых отмечалось снижением сывороточного уровня продуктов перекисного окисления липидов и с повышением выживаемости [18]; б) у недоношенных новорожденных с респираторным дистресс-синдромом - зарегистрировано снижение концентрации в плазме ИЛ-6, ИЛ-8, ФНО-a и нитрит/нитрат [7]; в) у новорожденных с респираторным дистресс-синдромом - установлено снижение уровней провоспалительных цитокинов ИЛ-6, ИЛ-8, ФНО-a в трахеобронхиальном аспирате и улучшения клинических исходов. Также проведен ряд исследований, посвященных изучению защитных эффектов мелатонина при инфицировании вирусом гриппа A. Чтобы оценить терапевтический потенциал данного гормона, инфицированных мышей лечили мелатонином в дозе 200 мг/кг и целе-коксибом 200 мг/кг на 2, 4, 6-й дни после вирусной инфекции. Выживаемость инфицированных мышей, получавших мелатонин, была значительно выше, в то время как в группе, получавшей целекоксиб, защитный эффект отсутствовал. При этом не отмечалось никаких побочных эффектов. Также была оценена тяжесть пневмонии у инфицированных мышей. Гистопатологический анализ показал, что инфильтрация лейкоцитов в легких мышей, обработанных мелатонином, значительно ниже по сравнению с контролем. Это исследование является первым, демонстрирующим терапевтический потенциал мелатонина при тяжелых инфекциях, вызванных вирусом гриппа A H1N1. Результаты показали, что лечение высокими дозами мелатонина значительно увеличивало выживаемость мышей, инфицированных вирусом гриппом А, а лечение мелатонином защищает мышей от смертности, вызванной вирусом гриппа А, за счет его противовоспалительного и иммуномодулирующего действия. Кроме того, мелатонин также проявлял синергетический эффект с противовирусным лекарственным средством [9]. Особого внимания при этом заслуживают пневмонии и тяжелые острые повреждения легких, развивающиеся во время инфекций, вызванных вирусом гриппа H1N1 и высокопатогенным вируоэм гриппа А. Мелатонин и его метаболиты, в свою очередь, действуют как эффективные антиоксиданты и поглотители свободных радикалов. Более того, мелатонин также играет решающую роль в модуляции иммунной системы. В исследованиях было показало, что лечение мелатонином значительно снижает популяцию лимфоцитов Th1 CD4 и увеличиваетэкспрессию противовоспалительного цитокина IL-10, а также популяцию продуцирующих IL-10 Т-лимфоцитов CD4 [9]. Установлено, что высокие дозы и предварительная обработка мелатонином значительно улучшили выживаемость мышей, инфицированных вирусом гриппа. А лечение мелатонином значительно увеличивает экспрессию IL-10 и TGF-p. Индукция IL-10 мелатонином происходит за счет усиления экспрессии IL-27 в дендритных клетках (DC). Мелатонин также значительно подавляет продукцию TNF-a CD8 T-клетками у инфицированных в и русом мышей. Кроме того, совместное лечение мелатонином и рибавирином значительно увеличивает выживаемость мышей, инфицированных вирусом, по сравнению с таковой у мышей, получавших только рибавирин. Кроме того, лечение мелатонином значительно подавляет воспаление in situ и снижает тяжесть экспериментального аутоиммунного энцефаломиелита у мышей. Таким образом, проведенные исследования показали наличие высокого терапевтического потенциала мелатонина при вирусной инфекции гриппа, основанного на антиоксидантном и иммуномодулирующем эффекте данного БАВ. И учеными рекомендовано применение мелатонина в качестве вспомогательного средства при лечении противовирусными препаратами больных с пневмонией, вызванной гриппом. В настоящее время внимание ученых привлекает и зуч ение новых аспектов терапии больных, инфицированных COVID-19. Исследования на животных показали, что цитокиновый шторм ослабляет адаптивный иммунитет против инфекции COVID-19. У людей, инфицированных COVID-19, во время заболевания повышается уровень интерлейкина (IL) -10, -6 и фактора некроза опухоли (TNF)-a. Неконтролируемый врожденный иммунный ответ вызывает массивную воспалительную реакцию и вызывает необратимое повреждение тканей и смертность. Мелатонин - мощный антиоксидант и иммунный регулятор, который не только подавляет окислительный стресс, но также контролирует врожденный иммунный ответ и способствует адаптивному иммунному ответу. Кроме того, он является регулятором аутофагии из-за его свойств как мощного супрессора стресса эндоплазматического ретикулума. Таким образом, предотвращение цитокинового шторма может иметь ключевое значение для лечения пациентов, инфицированных COVID-19. Мелатонин из-за его множественного действия может иметь положительные эффекты в предотвращении или ослаблении цитокинового шторма и снижении заболеваемости и смертности от этого заболевания. Установлена защитная роль мелатонина против бактериальных инфекций (культивированного штамма H37Rv Mycobacterium tuberculosis). Мелатонин, поставляемый в концентрации 0,01 мМ, в комбинации с изониазидом, препаратом первой линии, используемым при лечении туберкулеза, подавлял рост бактерий в три-четыре раза больше, чем любое из этих соединений по отдельности, это было исследовано в инфицированных моноцитах. Их комбинация привела к заметному снижению бактериальной нагрузки. Бактерицидное действие мелатонина может быть связано с его способностью образовывать стабильные радикалы, либо модифицировать действие изониазида, либо связываться с клеточной стенкой микобактерий, что приводит к дестабилизации клеточной стенки и повышает проницаемость для молекул изониазида. Средние уровни мелатонина в плазме и aMT6 ниже у пациентов, инфицированных M. Tuberculosis, чем у контрольных субъектов. Еще одним фактом, доказывающим роль данного фактора, является то, что пики заражения M. Tuberculosis совпадают с концом зимы, когда происходят сезонные изменения в иммунной системе, вызванные ежегодными колебаниями уровня мелатонина. Дополнительное исследование продемонстрировало антимикробную активность мелатонина in vitro в отношении грамположительных и грамотрицательных бактерий с множественной лекарственной устойчивостью, метициллин-резистентного Staphylococcus aureus, устойчивого к карбапенему, Pseudomonasaeruginosa и Acinetobacter baumannii [18]. Эти результаты имеют клиническое значение, поскольку эти штаммы недавно стали основными внутрибольничными патогенами при вспышках в больницах [9]. Также были проведены исследования, которые продемонстрировали роль экзогенного мелатонина при эндотоксин-индуцированном и мультибактери-альном сепсисе. Внутриклеточное действие мелатонина в экспериментальных моделях сепсиса связано с уменьшением ядерной транслокации NF-kB. Мелатонин снижает активацию p38 MAPK и поли-АДФ-рибозосинтазы (PARS), которая активируется повреждением ДНК, вызванным ROS и RNS. При этом эффекты мелатонина могут быть, по крайней мере частично, опосредованы связыванием с мембранными рецепторами MT 1 или MT 2, поскольку люзин-дол блокирует вызванное мелатонином снижение провоспалительных цитокинов. Высвобождение цито-кинов, особенно TNF-a, IL-1p, IL-6, IL-12 и IFN-y, а также образование свободных радикалов PMN и инфильтрированными макрофагами в тканях может привести к дисфункции микрососудов и органной недостаточности; TNF-a и NO являются важными медиаторами в патогенезе сепсиса и связанных с ним осложнений [5]. В ряде исследований показано, что TNF-a, IFN-y и IL-12 важны для контроля инфекции Trypanosoma cruzi, обеспечивая эффективный иммунный ответ. Было обнаружено, что комбинированное лечение мелатонином и мелоксикамом снижает уровень паразите-мии и увеличивает продукцию TNF-a, IFN-y и IL-2. В комбинации с DHEA мелатонин уменьшал количество паразитов в крови и тканях, но полностью избавиться от инфекции не удалось. После инфицирования T. cruzi вилочковая железа, центральный лимфоидный орган, способный генерировать зрелые Т-клетки, резко уменьшается в размерах, что приводит к уменьшению количества тимоцитов. Недавнее исследование показало, что цинк в сочетании с терапией мелатонином запускает пролиферацию тимоцитов у крыс, иноку-лированных T. cruzi, по сравнению с необработанными животными [8]. В ходе исследований, проведенных на базе неврологических отделений, учеными было выявлено, что концентрация мелатонина снижена у пациентов, имеющих неврологические отклонения. Положительные результаты были получены на экспериментальных моделях различных заболеваний нервной системы: болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, рассеянный склероз, боковой амиотрофический склероз, болезнь Хантингтона, эпилепсия, головные боли, психические и поведенческие расстройства аутисти-чес кого спектра, синдромы дефицита внимания с гиперактивностью. Такие результаты объясняются основными эффектами мелатонина. Являясь мощным поглотителем кислородных и азотно-активных форм, гормон обладает противовоспалительными, иммуностимулирующими функциями, помимо этого, модулирует циркадную ритмичность, которая, как правило, нарушена у таких пациентов [14]. На протяжении последних 10 лет глубоко рассматривается и изучается влияние мелатонина на патогенез и лечение онкологических заболеваний. Действие мелатонина в отношении рака, с одной стороны, опосредовано мембранными рецепторами, с другой, -прямыми внутриклеточными механизмами этой повсеместно распределенной молекулы. Одним из важных моментов является и то, что гормон подавляет молекулярные процессы, которые напрямую связаны с мета-стазированием, ограничивая проникновение раковых клеток в сосудистую систему и не позволяя им создав ать вторичные разрастания в отдаленных местах. Это особенно важно, поскольку метастазирование рака часто значительно способствует смерти пациента. Было выявлено, что мелатонин повышает чувствительность атипичных клеток к противоопухолевым препаратам, снижает токсические последствия при одновременном повышении их эффективности [12]. Таким образом, как следует из представленных данных, мелатонин обладает многофункциональными биологическими и фармакологическими эффектами, как рецепторнозависимыми, так и рецепторнезависи-мыми, включая антиоксидантное, противоопухолевое, п р отивовоспалительное, противовирусное, антибактериальное и нейропротекторное действие. Важно понимание того, что он не только смягчает повреждение тканей за счет изменения аномалий окислительновосстановительного статуса и других биохимических маркеров, но и обеспечивает нормальную работу иммунной системы. Продолжение исследований роли данного БАВ в поддержании иммунологического гомеостаза представляет большой научный и практический интерес.

About the authors

A. A Lebedenko

FSBEI HE «Rostov State Medical University» of the Ministry of Healthcare of the Russian Federation

O. E Semernik

FSBEI HE «Rostov State Medical University» of the Ministry of Healthcare of the Russian Federation

Email: semernik@mail.ru

V. V Emelyanova

FSBEI HE «Rostov State Medical University» of the Ministry of Healthcare of the Russian Federation

K. S Kazimurzaeva

FSBEI HE «Rostov State Medical University» of the Ministry of Healthcare of the Russian Federation

V. S Rudyakova

FSBEI HE «Rostov State Medical University» of the Ministry of Healthcare of the Russian Federation

References

Supplementary files