Стражи иммунной системы: регуляторные Т-клетки
06.02.2007
10081
0
100810
Золтан Фегервари, Шимон Сакагучи
«Тяжелейший аутотоксикоз» – такой термин был введен около ста лет назад известным немецким врачом-бактериологом Паулем Эрлихом для описания патологического состояния, при котором иммунная система человека «атакует» его же собственные органы и ткани. Эрлих полагал, что с биологической точки зрения в аутоиммунности (еще одно введенное им определение) нет ничего абсурдного, когда она находится под строжайшим контролем. Однако медицинское сообщество не приняло столь неоднозначной идеи. В самом деле, зачем природе встраивать в организм человека механизм, способный разрушать своего носителя?
Однако врачи время от времени сталкивались с заболеваниями, которые попадали под концепцию Эрлиха. Среди них рассеянный склероз, инсулинозависимый диабет, ревматоидный артрит. Выяснилось, что у подобных больных обычно нарушена функция особых лейкоцитов, известных как CD4+-T-лимфоциты (они названы так потому, что созревают в тимусе – железе, расположенной в грудной клетке чуть выше сердца, и несут на своей поверхности молекулы гликопротеина CD4). В норме они играют роль «старших офицеров», которые отдают команду другим клеткам иммунной системы к наступлению на вторгшихся в организм врагов – болезнетворных микроорганизмов, но иногда направляют оружие против органов и тканей собственного тела.
Эрлих оказался прав и в другом: недавно идентифицированы клетки, специализирующиеся на возвращении на путь истинный вышедшей из повиновения иммунной системы. Они получили название регуляторных Т-клеток. Будучи частью популяции CD4+-T-клеток, они поддерживают мир и согласие между иммунной системой и организмом. Кроме того, выяснилось, что им свойственна не только миротворческая функция: они также влияют на реакцию иммунной системы на проникшие в организм инфекционные агенты, опухолевые клетки, трансплантированные органы, клетки плода при наступлении беременности и т. д. Если удастся выяснить, как они выполняют свои обязанности, и почему их работа иногда дает сбой, исследователи получат возможность контролировать деятельность этих регуляторов и при необходимости подавлять иммунную активность.
Ненадежная система обороны
Многих людей сегодня пугает сознание того, что иммунная система в любой момент может выйти из-под контроля и спровоцировать аутоиммунное заболевание. Неприятнее всего то, что такой «иммунологический дамоклов меч» не так уж трудно привести в действие. Например, при введении мышам белков их собственной центральной нервной системы вместе с каким-нибудь адъювантом (неспецифическим стимулятором иммуногенеза) возникает деструктивная иммунная реакция, которая в основном проявляется как рассеянный склероз, вызывающий разрушение головного и спинного мозга.
Вводя животным их собственные белки разного происхождения, можно вызвать и другие аутоиммунные реакции. Такая же опасность подстерегает и человека. По крайней мере, из крови вполне здоровых людей выделены аутореактивные клетки иммунной системы, которые в пробирке ведут себя крайне агрессивно в отношении тканей своего родного организма.
Почему же при наличии постоянной угрозы со стороны собственной иммунной системы большинство из нас не страдает аутоиммунными заболеваниями? Каким образом наша внутренняя защита отличает опасных микробов от нормальных клеток своего организма? Исследователи обнаружили, что для обеспечения самотолерантности (способности удерживать иммунную систему в рамках) принимается множество мер предосторожности. Первая линия обороны, во всяком случае, в том, что касается Т-клеток, располагается в тимусе. Здесь созревшие Т-клетки проходят серьезный «курс обучения» и настраиваются на крайне слабую реакцию на здоровые клетки организма-хозяина. Клетки, не поддающиеся «дрессировке», отбраковываются. Однако ни одна система не застрахована от ошибок, и некоторое количество аутоагресивных Т-клеток ускользает от контроля. Попадая в кровоток и лимфу, они создают угрозу запуска аутоиммунной реакции.
Кровь и лимфа представляют собой вторую линию обороны. Здесь используется несколько приемов. Некоторые ткани, в том числе головного и спинного мозга, ограждены от аутоагрессивных клеток иммунной системы тем, что к ним ведет небольшое число сосудов, уходящих вглубь этих органов. Однако такая самоизоляция не может быть полной. В силу определенных обстоятельств (например, при повреждении тканей) аутореактивные клетки все же могут проникнуть внутрь. Другие способы защиты носят упреждающий характер. Иммунные клетки, проявляющие подозрительный интерес к здоровым тканям и органам, атакуются другими компонентами иммунной системы и разрушаются или инактивируются ими.
По-видимому, среди «подразделений», участвующим в упреждающих действиях, ключевая роль принадлежит регуляторным Т-клеткам. Большинство из них (а возможно, и все) обучаются мастерству в тимусе, а затем распространяются по всему организму в виде специализированной субпопуляции Т-клеток.
История открытия регуляторных Т-клеток
Так выглядит регуляторная Т-клетка мыши (фото с сайта cmbi.bjmu.edu.cn).
В 1969 г. Ясуаки Нисидзука (Yasuaki Nishizuka) и Тэруе Сакакура (Teruyo Sakakura) из японского Центра по исследованию рака в г. Нагоя обнаружили, что удаление тимуса у новорожденных мышат женского пола приводит к серьезным последствиям – разрушению яичников. Вначале ученые предположили, что тимус секретирует гормоны, необходимые для развития и сохранения данных органов. Однако позже выяснилось, что ткани яичников у мышат, лишенных тимуса, буквально наводнены иммунными клетками, что свидетельствовало о наличии аутоиммунного заболевания, возникшего в результате выхода из строя какого-то регуляторного механизма. Стоило ввести грызунам нормальные Т-клетки, как болезнь отступала. Все указывало на то, что в популяции Т-клеток имеется система самоконтроля.
В начале 1970-х гг. аналогичные результаты в ходе опытов на взрослых крысах получил Джон Пенхейл (John Penhale) из Эдинбургского университета, а Ричард Гершон (Richard Gershon) из Йельского университета впервые предположил, что существует некая группа Т-клеток, способных подавлять иммунную реакцию, в том числе и направленную против тканей собственного организма. Гипотетические клетки были названы супрессорными, но в то время никто не мог найти объяснения их поведению.
Основные надежды возлагались на обнаружение особых структур на поверхности Т-клеток – маркеров, по которым супрессорные Т-клетки можно было бы отличить от других составляющих иммунной системы. Начиная с середины 1980-х гг. многие молекулы были испробованы на роль потенциального маркера. В конце концов в 1995 г. один из нас (Сакагути) обнаружил таковой – им оказалась молекула, названная CD25. Когда у мышей были удалены CD4+-T-клетки, несущие данный маркер, иммунной атаке подверглось сразу несколько органов: желудок, половые, слюнные, щитовидная и поджелудочная железы. К ним устремились лейкоциты и разрушили их.
––––––––––––––––––––––
Обзор: иммунные регуляторы
Долгое время иммунологи не верили в существовании клеток, специализирующихся на подавлении излишней активности иммунной системы. Однако таковые действительно имеются – они получили название регуляторных Т-клеток (T-reg).
T-reg-клетки не только подавляют аутоиммунную реакцию, но и помогают организму противостоять повторному заражению патогенными микробами, защищают от уничтожения полезные бактерии, населяющие кишечник, способствуют нормальному протеканию беременности. Однако у них есть и отрицательные свойства: они помогают раковым клеткам избежать атаки со стороны иммунной системы.
Результаты последних исследований дают надежду на создание новых методов лечения аутоиммунных заболеваний и рака. Возможно также, что T-reg-клетки избавят пациентов, перенесших трансплантацию органов или тканей, от пожизненного приема иммуносупрессантов. ––––––––––––––––––––––
Важным подтверждением того, что мы находимся на правильном пути, стал следующий эксперимент. Мы выделили популяцию Т-клеток нормальной мыши, удалили из нее большую часть CD4+-CD25+-T-клеток, а затем оставшийся материал инъецировали грызунам с нефункционирующей иммунной системой, что привело к развитию у них аутоиммунного заболевания. Чем меньше CD4+-CD25+-T-клеток оставалось в Т-клеточной популяции, вводимой лабораторным животным, тем шире становился круг аутоиммунных расстройств, приводивших к гибели подопытных. При введении же CD4+-CD25+-T-клеток даже в небольших количествах иммунитет восстанавливался и защищал организм от саморазрушения. Иммунологи стали называть CD4+-CD25+-T-клетки регуляторными (или просто T-reg), по-видимому, желая устранить путаницу, которую вызывало определение «супрессорные».
Как работают регуляторные Т-клетки?
Механизм подавления аутоиммунной активности клетками T-reg остается загадкой. По-видимому, они способны воздействовать на самые разные клети иммунной системы, блокируя их амплификацию и такие процессы, как секреция сигнальных молекул – цитокинов. Специалисты склонны думать также, что T-reg-клетки активируются прямым межклеточным взаимодействием. Во всем остальном картина остается неясной.
Механизм самотолерантности (изображение: «В мире науки»)
Однако недавно сотрудники нашей лаборатории в Киотском университете, а также Александр Руденски (Alexander Rudensky) с коллегами из Вашингтонского университета и группа Фреда Рамсдела (Fred Ramsdell) из компании CellTech R&D в шт. Вашингтон независимо друг от друга получили результаты, приподнимающие завесу тайны над образованием и механизмом действия T-reg. Обнаружилось, что они содержат в необычайно большом количестве специфические молекулы под названием Foxp3, которые служат одним из факторов транскрипции, регулирующих работу определенных генов и тем самым – синтез кодируемых ими белков. Изменение экспрессии любого клеточного гена может повлиять на функционирование всей клетки. Что касается действия фактора Foxp3, то он, по-видимому, перенастраивает клеточные гены таким образом, что Т-клетки превращаются в T-reg. В действительности, введение Foxp3 в обычные Т-клетки приводит к тому, что они приобретают такую же способность к иммуносупрессии, как и исходно полноценные T-reg-клетки, образовавшиеся в тимусе. Недавно выяснилось, что мыши, относящиеся к широко используемой лабораторной линии Scurfy, синтезируют только неактивную, мутантную форму белка Foxp3, но в их организме нет и следа T-reg. Иммунная система у таких животных расшатана до предела, они страдают от множественных воспалений различных органов и рано погибают.
Имеются ли какие-либо данные о том, что человеку также необходимы T-reg-клетки? И есть ли они в нашем организме? Исследователи выяснили, что молекулярные особенности, характерные для T-reg-грызунов, присущи также некой субпопуляции Т-клеток человека. На поверхности данных клеток присутствуют молекулы CD25, а внутри содержится необычайно много белка Foxp3. Они обладают иммуносупрессивными свойствами – по крайней мере, таковы результаты опытов in vitro.
Как T-reg-клетки подавляют аутоиммунную реакцию (изображение: «В мире науки»)
Лучшим свидетельством того, что данные клетки жизненно важны и для нас, служит следующее наблюдение. Существует редкое генетическое заболевание под названием IPEX (Immune dysregulation, Polyendocrinopathy, Enteropathy, X-linked syndrome), которое связано с мутацией в одном из генов Х-хромосомы и поражает младенцев мужского пола (в отличие от девочек, они наследуют только одну Х-хромосому и потому не могут синтезировать вторую, нормальную копию соответствующего белка). Его следствием становится аутоиммунная реакция, влекущая за собой поражение многих органов и смерть в младенчестве. Как выяснилось недавно, данная мутация локализована в том самом гене, который кодирует белок Foxp3. Таким образом, IPEX – это аутоиммунное заболевание человека, аналогичное таковому у мышей линии Scurfy.
Не только самотолерантность
Итак, есть указания на то, что T-reg-клетки действительно предотвращают развитие аутоиммунных заболеваний у человека, однако их роль оказалась еще значительнее. Так, они принимают участие в реакции организма на проникновение микробов.
В 1990-х гг. Фиона Паури (Fiona Powrie) из DNAX, исследовательского института в Пало-Альто, шт. Калифорния, проводила эксперименты по введению популяции Т-клеток, обедненной T-reg, мышам с нефункционирующей иммунной системой. В одной из серий экспериментов у животных развилось острое воспаление кишечника. Но аберрантная иммунная реакция была направлена в первую очередь не на клетки самого органа.
В кишечнике как грызунов, так и человека присутствует множество микроорганизмов. Нередко их число превышает триллион на каждый грамм ткани. Большинство из них не только безвредны, но даже необходимы: они улучшают пищеварение и вытесняют патогенные бактерии (например, сальмонеллы), которые в противном случае заселили бы кишечник. В норме иммунная система никак не реагирует на присутствие полезных, хотя и чужеродных тел. Но у мышей, которые использовала в своих опытах Паури, все было не так. Введенные иммунные клетки атаковали не только микроорганизмы, но и стенки кишечника реципиента. Однако при инъекции клеток T-reg подобных проблем не возникало. И если бы последние вводились вместе с другими Т-клетками с самого начала, то никакого воспалительного процесса в кишечнике не возникло бы. Подводя итоги, можно сказать, что иммунная система представляет собой спусковой механизм, готовый в любую минуту атаковать микрофлору кишечника, и сдерживают ее только T-reg-клетки.
Ответ иммунной системы на болезнетворные чужеродные агенты может контролироваться аналогичным образом. С одной стороны, T-reg-клетки способны блокировать слишком сильную реакцию, с другой – предотвращать уничтожение какого-нибудь инородного тела, позволяя ему существовать в организме хозяина. Есть свидетельство того, например, что невозможность полностью уничтожить обитающую в желудке бактерию Helicobactor pilori, вызывающую язвенную болезнь, связана с «умиротворяющим» действием T-reg-клеток на иммунную систему.
T-reg сама подавляет активность других T-клеток (изображение: «В мире науки»)
Работы Дэвида Сакса (David Sacks) и его коллег из Национальных институтов здоровья проиллюстрировали всю сложность данной ситуации. Дело в том, что, по мнению авторов, неполное уничтожение в организме патогенов имеет положительную сторону. Был поставлен следующий опыт: мышей инфицировали безопасными для них паразитами. Даже если иммунная система животных была здорова, в их организме оставалось небольшое число микроорганизмов, и тогда повторная инфекция получала достойный отпор. Если же популяция Т-клеток была бедна клетками T-reg, то паразиты уничтожались все до одного, однако при повторном заражении иммунная реакция была столь слабой, будто организм грызунов никогда прежде с этими паразитами не встречался. T-reg-клетки, по-видимому, улучшают иммунологическую память, которая обеспечивает невосприимчивость организма к повторным заражениям и лежит в основе действия вакцин.
Есть указания и на то, что клетки T-reg способствуют нормальному (с иммунологической точки зрения) протеканию беременности, которая всегда оказывается вызовом иммунной системе. Поскольку плод наследует от матери только половину генов, а вторую получает от отца, он генетически не идентичен матери и по существу может считаться имплантированным органом. От отторжения плод защищает целый ряд механизмов, функционирующих в трофобласте (плацентарной ткани, соединяющей зародыш со стенкой матки). Трофобласт – не просто физиологический барьер для содержащихся в материнской крови веществ, вредных для плода: в нем продуцируются молекулы-иммуносупрессанты.
При беременности иммунная система будущей матери претерпевает изменения. Есть данные, что у женщин с таким аутоиммунным заболеванием, как рассеянный склероз, в период беременности T-reg-клетки проявляют большую активность. Недавно получены дополнительные данные: Александр Бетц (Alexander Betz) из Кембриджского университета обнаружил, что у беременных мышей повышено число материнских клеток T-reg. Причем у генетически модифицированных особей, не имеющих T-reg, при вынашивании потомства наблюдается массовое проникновение иммунных клеток через плацентарный барьер. Есть основания полагать, что причиной спонтанных абортов у некоторых женщин оказывается низкая активность T-reg-клеток.
Использование регуляторных Т-клеток в медицине
Итак, T-reg-клетки являются мощным природным регулятором иммунной системы. Научившись влиять на его работу, мы сможем лечить различные заболевания. Ожидать немедленного практического внедрения подобного способа борьбы с недугами, конечно, не приходится, но имеющиеся данные позволяют надеяться, что введение в организм самих T-reg-клеток или препаратов, воздействующих на их активность, уже в скором времени сможет облегчить состояние некоторых больных.
Речь идет, прежде всего, об аутоиммунных заболеваниях. Возможно, с помощью T-reg-клеток удастся справиться также с разными видами аллергии. А легкость, с которой клетки T-reg «усмиряют» иммунную систему, предполагает, что они могут стать незаменимыми при операциях по пересадке органов.
Будущее трансплантологии (изображение с сайта www.sciam.ru)
Альтернативный метод мог бы состоять в избирательном устранении определенных компонентов из популяции T-reg-клеток для подавления нежелательной иммуносупресии и, следовательно, для усиления реакции, направленной на нужную мишень. Оптимальным было бы удаление только тех T-reg-клеток, которые блокируют специфическую иммунную реакцию. Такая стратегия может быть незаменима в борьбе с инфекционными заболеваниями, при которых иммунная система, предоставленная самой себе, часто действует не совсем адекватно, например, при туберкулезе и СПИДе.
Уменьшение активности T-reg-клеток можно было бы использовать и при лечении онкологии. Компоненты иммунной системы, циркулируя в крови и лимфе, бдительно следят за появлением в организме клеток, превратившихся в раковые. Они распознают их по определенным морфологическим признакам и причисляют к чужеродным агентам. Мешая «патрульным» клеткам иммунной системы выполнять работу, T-reg поневоле способствуют образованию и росту опухоли. При некоторых онкологических заболеваниях пораженные клетки даже помогают в этом клеткам T-reg: они секретируют сигнальные молекулы, способные привлекать T-reg и инициировать превращение не-T-reg в T-reg. По наблюдениям некоторых врачей, у больных раком аномально высоко содержание активных T-reg-клеток как в крови, так и в самой опухоли.
Технические трудности
До сих пор не было никаких попыток создать препараты, увеличивающие или уменьшающие численность популяции T-reg-клеток непосредственно в организме человека. Любые средства, которые можно было бы использовать, должны обладать способностью влиять только на те субпопуляции T-reg-клеток, которые играют роль в развитии конкретного заболевания. Но как распознать такие клетки, специалисты пока не знают.
––––––––––––––––––––––
Варианты терапии регуляторными Т-клетками
Перечисленные здесь методы уже проходят клинические испытания или находятся на стадии подготовки. Большинство тестируемых веществ, действующих на T-reg-клетки, направлены на их уничтожение или подавление активности. Введение таких веществ в организм требует особой осторожности – при передозировке возможно развитие аутоиммунного заболевания.
Подавление активности или уничтожение для усиления иммунной реакции (рак кожи (меланома), яичников, почек):
Токсин присоединяют к интерлейкину-2, который обеспечивает его проникновение в T-reg-клетку. Вводят моноклональные антитела, способные уничтожать T-reg-клетки или блокировать их проникновение в опухоль.
Пролиферация в организме пациента для подавления иммунной реакции (рассеянный склероз, псориаз, болезнь Крона, инсулинозависимый сахарный диабет):
Готовят вакцину, содержащую компоненты Т-клеточного рецептора, с тем, чтобы стимулировать пролиферацию T-reg-клеток.
Пролиферация in vitro и введение в организм пациента (реакция «трансплантат против хозяина», при которой иммунные клетки пересаженного костного мозга атакуют ткани реципиента):
Культивируют T-reg-клетки донора со специфическими антителами и факторами роста. Вводят образовавшуюся популяцию T-reg-клеток до пересадки костного мозга или во время нее (чтобы предотвратить отторжение) или при угрозе возникновения реакции «трансплантат против хозяина»
––––––––––––––––––––––
Разработка методов, основанных на воздействии на T-reg in vitro, тоже представляет серьезную проблему. Самое трудное – получить достаточное число клеток. Несмотря на то, что некоторые T-reg-клетки могут полноценно работать, даже находясь в значительном меньшинстве относительно тех, на которые они оказывают супрессорное действие, для эффективного лечения аутоиммунного заболевания могут понадобиться десятки миллионов T-reg-клеток. Выделение такого числа этих редких элементов из крови пациента представляется невозможным. И, похоже, без разработки метода амплификации T-reg in vitro здесь не обойтись.
К счастью, проблему «больших чисел» можно решить другим способом. Различными исследовательскими группами установлено, что клетки с иммунносупрессивным действием можно создать в относительно больших количествах, обработав обычные T-клетки смесью определенных химических веществ. Идентичны ли такие клетки, названные Tr1, искомым T-reg-клеткам – пока неясно, но они несомненно обладают ярко выраженными иммуносупрессивными свойствами.
Теперь, когда специалистам известно, что Foxp3 служит ключевой молекулой, контролирующей развитие и функционирование T-reg, можно попробовать получить нужное число регуляторных клеток, используя стандартный лабораторный метод переноса гена Foxp3 в более многочисленные, а потому добываемые с меньшими трудностями Т-клетки другого типа. Сейчас над данным методом работают многие исследователи, в том числе и я. В первую очередь нас интересует, какие молекулярные процессы инициируют синтез белка Foxp3 во время развития T-reg. Может быть, разобравшись в данном вопросе, удастся создать лекарственные вещества, прием которых сделает ненужным выделение соответствующих клеток, их модификацию и введение в организм.
Что касается трансплантации органов, то здесь разрабатывается другой способ получения T-reg-клеток с нужными свойствами. Он предусматривает удаление T-reg из организма больного, которому предстоит трансплантация, и культивирование их вместе с клетками соответствующего органа донора. Цель подобной процедуры – получение T-reg-клеток с уникальными способностями подавлять отторжение. Один из нас (Сакагути) доказал, что однократного введения таких клеток во время пересадки кожи достаточно для того, чтобы трансплантированный лоскут полностью прижился. Следует также отметить, что описанная процедура оставляет в неприкосновенности иммунную систему реципиента, нисколько не снижая ее способности противостоять инфекционным и другим заболеваниям.
За последние десять лет представления о том, как работает защитная система организма, претерпели существенные изменения. В частности, стало ясно, что хотя она допускает циркуляцию в крови и лимфе потенциально аутодеструктивных Т-клеток, ею же предусмотрено образование Т-клеток, контролирующих последние. Выяснив, как появляются такие клетки-регуляторы и почему они обладают столь высокой иммуносупрессивной активностью, мы сможем использовать их для лечения многих смертельно опасных недугов. Позволяя разрушать «чужое» и строго охраняя «свое», T-reg-клетки служат настоящими миротворцами иммунной системы.
Об авторах
Золтан Фегервари (Zoltan Fehervari) и Симон Сакагучи (Shimon Sakaguchi) начали совместную деятельность в 2000 г., когда Фегервари после защиты докторской диссертации получил место в лаборатории Сакагучи в Институте перспективных медицинских исследований в Киотском университете в Японии. Сейчас Фегервари трудится в отделе патологии в Кембриджском университете, где готовится к защите диссертации в области иммунологии. Профессор Сакагучи в настоящее время заведует отделом экспериментальной патологии в Киото.
«В мире науки» №12, 2006
Электронная версия опубликована на сайте «Элементы науки»
Регуляторные Т-клетки удерживают иммунную систему организма от нападения на собственные ткани. Их использование позволит лечить самые разные заболевания и, возможно, решить проблему отторжения трансплантированных органов.
«Тяжелейший аутотоксикоз» – такой термин был введен около ста лет назад известным немецким врачом-бактериологом Паулем Эрлихом для описания патологического состояния, при котором иммунная система человека «атакует» его же собственные органы и ткани. Эрлих полагал, что с биологической точки зрения в аутоиммунности (еще одно введенное им определение) нет ничего абсурдного, когда она находится под строжайшим контролем. Однако медицинское сообщество не приняло столь неоднозначной идеи. В самом деле, зачем природе встраивать в организм человека механизм, способный разрушать своего носителя?
Однако врачи время от времени сталкивались с заболеваниями, которые попадали под концепцию Эрлиха. Среди них рассеянный склероз, инсулинозависимый диабет, ревматоидный артрит. Выяснилось, что у подобных больных обычно нарушена функция особых лейкоцитов, известных как CD4+-T-лимфоциты (они названы так потому, что созревают в тимусе – железе, расположенной в грудной клетке чуть выше сердца, и несут на своей поверхности молекулы гликопротеина CD4). В норме они играют роль «старших офицеров», которые отдают команду другим клеткам иммунной системы к наступлению на вторгшихся в организм врагов – болезнетворных микроорганизмов, но иногда направляют оружие против органов и тканей собственного тела.
Эрлих оказался прав и в другом: недавно идентифицированы клетки, специализирующиеся на возвращении на путь истинный вышедшей из повиновения иммунной системы. Они получили название регуляторных Т-клеток. Будучи частью популяции CD4+-T-клеток, они поддерживают мир и согласие между иммунной системой и организмом. Кроме того, выяснилось, что им свойственна не только миротворческая функция: они также влияют на реакцию иммунной системы на проникшие в организм инфекционные агенты, опухолевые клетки, трансплантированные органы, клетки плода при наступлении беременности и т. д. Если удастся выяснить, как они выполняют свои обязанности, и почему их работа иногда дает сбой, исследователи получат возможность контролировать деятельность этих регуляторов и при необходимости подавлять иммунную активность.
Ненадежная система обороны
Многих людей сегодня пугает сознание того, что иммунная система в любой момент может выйти из-под контроля и спровоцировать аутоиммунное заболевание. Неприятнее всего то, что такой «иммунологический дамоклов меч» не так уж трудно привести в действие. Например, при введении мышам белков их собственной центральной нервной системы вместе с каким-нибудь адъювантом (неспецифическим стимулятором иммуногенеза) возникает деструктивная иммунная реакция, которая в основном проявляется как рассеянный склероз, вызывающий разрушение головного и спинного мозга.
Вводя животным их собственные белки разного происхождения, можно вызвать и другие аутоиммунные реакции. Такая же опасность подстерегает и человека. По крайней мере, из крови вполне здоровых людей выделены аутореактивные клетки иммунной системы, которые в пробирке ведут себя крайне агрессивно в отношении тканей своего родного организма.
Почему же при наличии постоянной угрозы со стороны собственной иммунной системы большинство из нас не страдает аутоиммунными заболеваниями? Каким образом наша внутренняя защита отличает опасных микробов от нормальных клеток своего организма? Исследователи обнаружили, что для обеспечения самотолерантности (способности удерживать иммунную систему в рамках) принимается множество мер предосторожности. Первая линия обороны, во всяком случае, в том, что касается Т-клеток, располагается в тимусе. Здесь созревшие Т-клетки проходят серьезный «курс обучения» и настраиваются на крайне слабую реакцию на здоровые клетки организма-хозяина. Клетки, не поддающиеся «дрессировке», отбраковываются. Однако ни одна система не застрахована от ошибок, и некоторое количество аутоагресивных Т-клеток ускользает от контроля. Попадая в кровоток и лимфу, они создают угрозу запуска аутоиммунной реакции.
Кровь и лимфа представляют собой вторую линию обороны. Здесь используется несколько приемов. Некоторые ткани, в том числе головного и спинного мозга, ограждены от аутоагрессивных клеток иммунной системы тем, что к ним ведет небольшое число сосудов, уходящих вглубь этих органов. Однако такая самоизоляция не может быть полной. В силу определенных обстоятельств (например, при повреждении тканей) аутореактивные клетки все же могут проникнуть внутрь. Другие способы защиты носят упреждающий характер. Иммунные клетки, проявляющие подозрительный интерес к здоровым тканям и органам, атакуются другими компонентами иммунной системы и разрушаются или инактивируются ими.
По-видимому, среди «подразделений», участвующим в упреждающих действиях, ключевая роль принадлежит регуляторным Т-клеткам. Большинство из них (а возможно, и все) обучаются мастерству в тимусе, а затем распространяются по всему организму в виде специализированной субпопуляции Т-клеток.
История открытия регуляторных Т-клеток
Так выглядит регуляторная Т-клетка мыши (фото с сайта cmbi.bjmu.edu.cn).
В 1969 г. Ясуаки Нисидзука (Yasuaki Nishizuka) и Тэруе Сакакура (Teruyo Sakakura) из японского Центра по исследованию рака в г. Нагоя обнаружили, что удаление тимуса у новорожденных мышат женского пола приводит к серьезным последствиям – разрушению яичников. Вначале ученые предположили, что тимус секретирует гормоны, необходимые для развития и сохранения данных органов. Однако позже выяснилось, что ткани яичников у мышат, лишенных тимуса, буквально наводнены иммунными клетками, что свидетельствовало о наличии аутоиммунного заболевания, возникшего в результате выхода из строя какого-то регуляторного механизма. Стоило ввести грызунам нормальные Т-клетки, как болезнь отступала. Все указывало на то, что в популяции Т-клеток имеется система самоконтроля.
В начале 1970-х гг. аналогичные результаты в ходе опытов на взрослых крысах получил Джон Пенхейл (John Penhale) из Эдинбургского университета, а Ричард Гершон (Richard Gershon) из Йельского университета впервые предположил, что существует некая группа Т-клеток, способных подавлять иммунную реакцию, в том числе и направленную против тканей собственного организма. Гипотетические клетки были названы супрессорными, но в то время никто не мог найти объяснения их поведению.
Основные надежды возлагались на обнаружение особых структур на поверхности Т-клеток – маркеров, по которым супрессорные Т-клетки можно было бы отличить от других составляющих иммунной системы. Начиная с середины 1980-х гг. многие молекулы были испробованы на роль потенциального маркера. В конце концов в 1995 г. один из нас (Сакагути) обнаружил таковой – им оказалась молекула, названная CD25. Когда у мышей были удалены CD4+-T-клетки, несущие данный маркер, иммунной атаке подверглось сразу несколько органов: желудок, половые, слюнные, щитовидная и поджелудочная железы. К ним устремились лейкоциты и разрушили их.
––––––––––––––––––––––
Обзор: иммунные регуляторы
Долгое время иммунологи не верили в существовании клеток, специализирующихся на подавлении излишней активности иммунной системы. Однако таковые действительно имеются – они получили название регуляторных Т-клеток (T-reg).
T-reg-клетки не только подавляют аутоиммунную реакцию, но и помогают организму противостоять повторному заражению патогенными микробами, защищают от уничтожения полезные бактерии, населяющие кишечник, способствуют нормальному протеканию беременности. Однако у них есть и отрицательные свойства: они помогают раковым клеткам избежать атаки со стороны иммунной системы.
Результаты последних исследований дают надежду на создание новых методов лечения аутоиммунных заболеваний и рака. Возможно также, что T-reg-клетки избавят пациентов, перенесших трансплантацию органов или тканей, от пожизненного приема иммуносупрессантов. ––––––––––––––––––––––
Важным подтверждением того, что мы находимся на правильном пути, стал следующий эксперимент. Мы выделили популяцию Т-клеток нормальной мыши, удалили из нее большую часть CD4+-CD25+-T-клеток, а затем оставшийся материал инъецировали грызунам с нефункционирующей иммунной системой, что привело к развитию у них аутоиммунного заболевания. Чем меньше CD4+-CD25+-T-клеток оставалось в Т-клеточной популяции, вводимой лабораторным животным, тем шире становился круг аутоиммунных расстройств, приводивших к гибели подопытных. При введении же CD4+-CD25+-T-клеток даже в небольших количествах иммунитет восстанавливался и защищал организм от саморазрушения. Иммунологи стали называть CD4+-CD25+-T-клетки регуляторными (или просто T-reg), по-видимому, желая устранить путаницу, которую вызывало определение «супрессорные».
Как работают регуляторные Т-клетки?
Механизм подавления аутоиммунной активности клетками T-reg остается загадкой. По-видимому, они способны воздействовать на самые разные клети иммунной системы, блокируя их амплификацию и такие процессы, как секреция сигнальных молекул – цитокинов. Специалисты склонны думать также, что T-reg-клетки активируются прямым межклеточным взаимодействием. Во всем остальном картина остается неясной.
Механизм самотолерантности (изображение: «В мире науки»)
Однако недавно сотрудники нашей лаборатории в Киотском университете, а также Александр Руденски (Alexander Rudensky) с коллегами из Вашингтонского университета и группа Фреда Рамсдела (Fred Ramsdell) из компании CellTech R&D в шт. Вашингтон независимо друг от друга получили результаты, приподнимающие завесу тайны над образованием и механизмом действия T-reg. Обнаружилось, что они содержат в необычайно большом количестве специфические молекулы под названием Foxp3, которые служат одним из факторов транскрипции, регулирующих работу определенных генов и тем самым – синтез кодируемых ими белков. Изменение экспрессии любого клеточного гена может повлиять на функционирование всей клетки. Что касается действия фактора Foxp3, то он, по-видимому, перенастраивает клеточные гены таким образом, что Т-клетки превращаются в T-reg. В действительности, введение Foxp3 в обычные Т-клетки приводит к тому, что они приобретают такую же способность к иммуносупрессии, как и исходно полноценные T-reg-клетки, образовавшиеся в тимусе. Недавно выяснилось, что мыши, относящиеся к широко используемой лабораторной линии Scurfy, синтезируют только неактивную, мутантную форму белка Foxp3, но в их организме нет и следа T-reg. Иммунная система у таких животных расшатана до предела, они страдают от множественных воспалений различных органов и рано погибают.
Имеются ли какие-либо данные о том, что человеку также необходимы T-reg-клетки? И есть ли они в нашем организме? Исследователи выяснили, что молекулярные особенности, характерные для T-reg-грызунов, присущи также некой субпопуляции Т-клеток человека. На поверхности данных клеток присутствуют молекулы CD25, а внутри содержится необычайно много белка Foxp3. Они обладают иммуносупрессивными свойствами – по крайней мере, таковы результаты опытов in vitro.
Как T-reg-клетки подавляют аутоиммунную реакцию (изображение: «В мире науки»)
Лучшим свидетельством того, что данные клетки жизненно важны и для нас, служит следующее наблюдение. Существует редкое генетическое заболевание под названием IPEX (Immune dysregulation, Polyendocrinopathy, Enteropathy, X-linked syndrome), которое связано с мутацией в одном из генов Х-хромосомы и поражает младенцев мужского пола (в отличие от девочек, они наследуют только одну Х-хромосому и потому не могут синтезировать вторую, нормальную копию соответствующего белка). Его следствием становится аутоиммунная реакция, влекущая за собой поражение многих органов и смерть в младенчестве. Как выяснилось недавно, данная мутация локализована в том самом гене, который кодирует белок Foxp3. Таким образом, IPEX – это аутоиммунное заболевание человека, аналогичное таковому у мышей линии Scurfy.
Не только самотолерантность
Итак, есть указания на то, что T-reg-клетки действительно предотвращают развитие аутоиммунных заболеваний у человека, однако их роль оказалась еще значительнее. Так, они принимают участие в реакции организма на проникновение микробов.
В 1990-х гг. Фиона Паури (Fiona Powrie) из DNAX, исследовательского института в Пало-Альто, шт. Калифорния, проводила эксперименты по введению популяции Т-клеток, обедненной T-reg, мышам с нефункционирующей иммунной системой. В одной из серий экспериментов у животных развилось острое воспаление кишечника. Но аберрантная иммунная реакция была направлена в первую очередь не на клетки самого органа.
В кишечнике как грызунов, так и человека присутствует множество микроорганизмов. Нередко их число превышает триллион на каждый грамм ткани. Большинство из них не только безвредны, но даже необходимы: они улучшают пищеварение и вытесняют патогенные бактерии (например, сальмонеллы), которые в противном случае заселили бы кишечник. В норме иммунная система никак не реагирует на присутствие полезных, хотя и чужеродных тел. Но у мышей, которые использовала в своих опытах Паури, все было не так. Введенные иммунные клетки атаковали не только микроорганизмы, но и стенки кишечника реципиента. Однако при инъекции клеток T-reg подобных проблем не возникало. И если бы последние вводились вместе с другими Т-клетками с самого начала, то никакого воспалительного процесса в кишечнике не возникло бы. Подводя итоги, можно сказать, что иммунная система представляет собой спусковой механизм, готовый в любую минуту атаковать микрофлору кишечника, и сдерживают ее только T-reg-клетки.
Ответ иммунной системы на болезнетворные чужеродные агенты может контролироваться аналогичным образом. С одной стороны, T-reg-клетки способны блокировать слишком сильную реакцию, с другой – предотвращать уничтожение какого-нибудь инородного тела, позволяя ему существовать в организме хозяина. Есть свидетельство того, например, что невозможность полностью уничтожить обитающую в желудке бактерию Helicobactor pilori, вызывающую язвенную болезнь, связана с «умиротворяющим» действием T-reg-клеток на иммунную систему.
T-reg сама подавляет активность других T-клеток (изображение: «В мире науки»)
Работы Дэвида Сакса (David Sacks) и его коллег из Национальных институтов здоровья проиллюстрировали всю сложность данной ситуации. Дело в том, что, по мнению авторов, неполное уничтожение в организме патогенов имеет положительную сторону. Был поставлен следующий опыт: мышей инфицировали безопасными для них паразитами. Даже если иммунная система животных была здорова, в их организме оставалось небольшое число микроорганизмов, и тогда повторная инфекция получала достойный отпор. Если же популяция Т-клеток была бедна клетками T-reg, то паразиты уничтожались все до одного, однако при повторном заражении иммунная реакция была столь слабой, будто организм грызунов никогда прежде с этими паразитами не встречался. T-reg-клетки, по-видимому, улучшают иммунологическую память, которая обеспечивает невосприимчивость организма к повторным заражениям и лежит в основе действия вакцин.
Есть указания и на то, что клетки T-reg способствуют нормальному (с иммунологической точки зрения) протеканию беременности, которая всегда оказывается вызовом иммунной системе. Поскольку плод наследует от матери только половину генов, а вторую получает от отца, он генетически не идентичен матери и по существу может считаться имплантированным органом. От отторжения плод защищает целый ряд механизмов, функционирующих в трофобласте (плацентарной ткани, соединяющей зародыш со стенкой матки). Трофобласт – не просто физиологический барьер для содержащихся в материнской крови веществ, вредных для плода: в нем продуцируются молекулы-иммуносупрессанты.
При беременности иммунная система будущей матери претерпевает изменения. Есть данные, что у женщин с таким аутоиммунным заболеванием, как рассеянный склероз, в период беременности T-reg-клетки проявляют большую активность. Недавно получены дополнительные данные: Александр Бетц (Alexander Betz) из Кембриджского университета обнаружил, что у беременных мышей повышено число материнских клеток T-reg. Причем у генетически модифицированных особей, не имеющих T-reg, при вынашивании потомства наблюдается массовое проникновение иммунных клеток через плацентарный барьер. Есть основания полагать, что причиной спонтанных абортов у некоторых женщин оказывается низкая активность T-reg-клеток.
Использование регуляторных Т-клеток в медицине
Итак, T-reg-клетки являются мощным природным регулятором иммунной системы. Научившись влиять на его работу, мы сможем лечить различные заболевания. Ожидать немедленного практического внедрения подобного способа борьбы с недугами, конечно, не приходится, но имеющиеся данные позволяют надеяться, что введение в организм самих T-reg-клеток или препаратов, воздействующих на их активность, уже в скором времени сможет облегчить состояние некоторых больных.
Речь идет, прежде всего, об аутоиммунных заболеваниях. Возможно, с помощью T-reg-клеток удастся справиться также с разными видами аллергии. А легкость, с которой клетки T-reg «усмиряют» иммунную систему, предполагает, что они могут стать незаменимыми при операциях по пересадке органов.
Будущее трансплантологии (изображение с сайта www.sciam.ru)
Альтернативный метод мог бы состоять в избирательном устранении определенных компонентов из популяции T-reg-клеток для подавления нежелательной иммуносупресии и, следовательно, для усиления реакции, направленной на нужную мишень. Оптимальным было бы удаление только тех T-reg-клеток, которые блокируют специфическую иммунную реакцию. Такая стратегия может быть незаменима в борьбе с инфекционными заболеваниями, при которых иммунная система, предоставленная самой себе, часто действует не совсем адекватно, например, при туберкулезе и СПИДе.
Уменьшение активности T-reg-клеток можно было бы использовать и при лечении онкологии. Компоненты иммунной системы, циркулируя в крови и лимфе, бдительно следят за появлением в организме клеток, превратившихся в раковые. Они распознают их по определенным морфологическим признакам и причисляют к чужеродным агентам. Мешая «патрульным» клеткам иммунной системы выполнять работу, T-reg поневоле способствуют образованию и росту опухоли. При некоторых онкологических заболеваниях пораженные клетки даже помогают в этом клеткам T-reg: они секретируют сигнальные молекулы, способные привлекать T-reg и инициировать превращение не-T-reg в T-reg. По наблюдениям некоторых врачей, у больных раком аномально высоко содержание активных T-reg-клеток как в крови, так и в самой опухоли.
Технические трудности
До сих пор не было никаких попыток создать препараты, увеличивающие или уменьшающие численность популяции T-reg-клеток непосредственно в организме человека. Любые средства, которые можно было бы использовать, должны обладать способностью влиять только на те субпопуляции T-reg-клеток, которые играют роль в развитии конкретного заболевания. Но как распознать такие клетки, специалисты пока не знают.
––––––––––––––––––––––
Варианты терапии регуляторными Т-клетками
Перечисленные здесь методы уже проходят клинические испытания или находятся на стадии подготовки. Большинство тестируемых веществ, действующих на T-reg-клетки, направлены на их уничтожение или подавление активности. Введение таких веществ в организм требует особой осторожности – при передозировке возможно развитие аутоиммунного заболевания.
Подавление активности или уничтожение для усиления иммунной реакции (рак кожи (меланома), яичников, почек):
Токсин присоединяют к интерлейкину-2, который обеспечивает его проникновение в T-reg-клетку. Вводят моноклональные антитела, способные уничтожать T-reg-клетки или блокировать их проникновение в опухоль.
Пролиферация в организме пациента для подавления иммунной реакции (рассеянный склероз, псориаз, болезнь Крона, инсулинозависимый сахарный диабет):
Готовят вакцину, содержащую компоненты Т-клеточного рецептора, с тем, чтобы стимулировать пролиферацию T-reg-клеток.
Пролиферация in vitro и введение в организм пациента (реакция «трансплантат против хозяина», при которой иммунные клетки пересаженного костного мозга атакуют ткани реципиента):
Культивируют T-reg-клетки донора со специфическими антителами и факторами роста. Вводят образовавшуюся популяцию T-reg-клеток до пересадки костного мозга или во время нее (чтобы предотвратить отторжение) или при угрозе возникновения реакции «трансплантат против хозяина»
––––––––––––––––––––––
Разработка методов, основанных на воздействии на T-reg in vitro, тоже представляет серьезную проблему. Самое трудное – получить достаточное число клеток. Несмотря на то, что некоторые T-reg-клетки могут полноценно работать, даже находясь в значительном меньшинстве относительно тех, на которые они оказывают супрессорное действие, для эффективного лечения аутоиммунного заболевания могут понадобиться десятки миллионов T-reg-клеток. Выделение такого числа этих редких элементов из крови пациента представляется невозможным. И, похоже, без разработки метода амплификации T-reg in vitro здесь не обойтись.
К счастью, проблему «больших чисел» можно решить другим способом. Различными исследовательскими группами установлено, что клетки с иммунносупрессивным действием можно создать в относительно больших количествах, обработав обычные T-клетки смесью определенных химических веществ. Идентичны ли такие клетки, названные Tr1, искомым T-reg-клеткам – пока неясно, но они несомненно обладают ярко выраженными иммуносупрессивными свойствами.
Теперь, когда специалистам известно, что Foxp3 служит ключевой молекулой, контролирующей развитие и функционирование T-reg, можно попробовать получить нужное число регуляторных клеток, используя стандартный лабораторный метод переноса гена Foxp3 в более многочисленные, а потому добываемые с меньшими трудностями Т-клетки другого типа. Сейчас над данным методом работают многие исследователи, в том числе и я. В первую очередь нас интересует, какие молекулярные процессы инициируют синтез белка Foxp3 во время развития T-reg. Может быть, разобравшись в данном вопросе, удастся создать лекарственные вещества, прием которых сделает ненужным выделение соответствующих клеток, их модификацию и введение в организм.
Что касается трансплантации органов, то здесь разрабатывается другой способ получения T-reg-клеток с нужными свойствами. Он предусматривает удаление T-reg из организма больного, которому предстоит трансплантация, и культивирование их вместе с клетками соответствующего органа донора. Цель подобной процедуры – получение T-reg-клеток с уникальными способностями подавлять отторжение. Один из нас (Сакагути) доказал, что однократного введения таких клеток во время пересадки кожи достаточно для того, чтобы трансплантированный лоскут полностью прижился. Следует также отметить, что описанная процедура оставляет в неприкосновенности иммунную систему реципиента, нисколько не снижая ее способности противостоять инфекционным и другим заболеваниям.
За последние десять лет представления о том, как работает защитная система организма, претерпели существенные изменения. В частности, стало ясно, что хотя она допускает циркуляцию в крови и лимфе потенциально аутодеструктивных Т-клеток, ею же предусмотрено образование Т-клеток, контролирующих последние. Выяснив, как появляются такие клетки-регуляторы и почему они обладают столь высокой иммуносупрессивной активностью, мы сможем использовать их для лечения многих смертельно опасных недугов. Позволяя разрушать «чужое» и строго охраняя «свое», T-reg-клетки служат настоящими миротворцами иммунной системы.
Об авторах
Золтан Фегервари (Zoltan Fehervari) и Симон Сакагучи (Shimon Sakaguchi) начали совместную деятельность в 2000 г., когда Фегервари после защиты докторской диссертации получил место в лаборатории Сакагучи в Институте перспективных медицинских исследований в Киотском университете в Японии. Сейчас Фегервари трудится в отделе патологии в Кембриджском университете, где готовится к защите диссертации в области иммунологии. Профессор Сакагучи в настоящее время заведует отделом экспериментальной патологии в Киото.
«В мире науки» №12, 2006
Электронная версия опубликована на сайте «Элементы науки»
Ваш комментарий:
Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Чтобы оставить комментарий, необходимо авторизоваться.
Последние комментарии
