Биологические науки / 6 Микробиология

Рисованая Е.И., Соколова И.Е.

Днепропетровский национальный университет

Новые представления о взаимодействии цитокинов, как медиаторов иммунного ответа, и микроорганизмов

Одной из важнейших в инфекционной патологии является проблема механизмов взаимодействия микро- и макроорганизма. С одной стороны, под действием возбудителя в организме хозяина может развиться иммунитет, а может – иммунологическая толерантность. С другой стороны, факторы иммунитета могут провоцировать изменчивость паразита с уклонением его от защитных механизмов хозяина, следствием чего являются антигенная мимикрия, синтез факторов, активно вызывающих снижение иммунного ответа и в результате этого – развитие общей иммуносупрессии [11].

Регуляция иммунного ответа макроорганизма в ходе нормального функционирования иммунной системы осуществляется с помощью цитокинов. Очевидно, что бактерии способны оказывать заметное влияние на способность иммуноцитов продуцировать определённые цитокины [8]. В последнее время стало известно, что некоторые микроорганизмы могут использовать определённые цитокины как ростовые факторы [10,11,12].

Цитокины являются низкомолекулярными медиаторами межклеточных взаимодействий [9]. Все цитокины являются белками, часто гликозилированными, с молекулярной массой 25-30 кД [5]. Классификация цитокинов проводится по типу пространственной структуры, типу клеточных рецепторов, с которыми они взаимодействуют, по их биологическим свойствам. Согласно одной из принятых классификаций к цитокинам относят:

- интерфероны, представляющие собой большую группу противовирусных пептидов (IF-α, IF-β, IF-γ, IF-ω, IF-τ);

- колониестимулирующие факторы, активирующие размножение и дифференцировку клеток-предшественников различных ростков гемопоэза на различных этапах их созревания (G-CSF, M-CSF, GM-CSF);

- хемокины, или хемотаксические цитокины, обеспечивающие активацию миграции разных типов лейкоцитов и некоторых других клеток (PF-4, MIP-2, MCP-1);

- трансформирующие ростовые факторы (PD-GF, TGF-β);

- группа факторов некроза опухолей – ФНО (TNF-α, TNF-β);

- интерлейкины ИЛ 1-29 (IL 1-29). ИЛ с номерами 1-29 нельзя объединить в одну подгруппу цитокинов, связанных общностью функций, и могут быть разделены на провоспалительные цитокины, ростовые и дифференцировочные факторы лимфоцитов и отдельные регуляторные цитокины.

Цитокины обладают тремя главными функциями:

1. Регуляция защитных функций организма на местном и системном уровнях.

2. Регуляция отдельных нормальных физиологических функций.

3. Регуляция эмбриогенеза, закладки и развития органов иммунной системы [9].

Воздействие цитокинов на клетку осуществляется через высокоспецифические рецепторы к цитокинам (численностью от нескольких десятков до нескольких десятков тысяч), встроенные в мембрану чувствительных к цитокинам клеток. Связывание цитокина с соответствующим рецептором обеспечивает трансмембранное проведение сигнала в клетку, что, в свою очередь, обеспечивает активацию цитоплазматических ферментов и, в частности, фосфорилирование тирозинкиназ. Активация (фосфорилирование) тирозин/сериновых киназ приводит к запуску каскада ферментативных процессов, в результате которых в клетках накапливаются фосфорилированные белки. Эти белки из цитоплазмы поступают в ядро клетки и взаимодействуют с определёнными генами в молекуле ДНК, активируя процесс транскрипции этих генов и синтез соответствующих и-РНК или репликацию ДНК. Накопление и-РНК приводит, в свою очередь, к синтезу и накоплению в клетке набора новых белковых молекул, что проявляется в изменении фенотипических свойств и поведения клеток [5].

Рядом исследователей изучалось действие препаратов цитокинов на патогенные бактерии in vitro и in vivo. Согласно полученным ими данным влияние препаратов цитокинов на патогенные бактерии in vitro включает три аспекта: стимуляция роста [10, 11, 12], бактерицидное действие [3, 4, 5], изменение биологических свойств [1, 2].

Примеры стимуляции цитокинами роста бактериальных клеток представлены в табл. 1 [10, 11]. Исследования проведенные на вирулентных и авирулентных штаммах показали, что эффект наблюдался только на вирулентных штаммах. Так по данным двух работ Романовой Ю.М. с соавт. [11, 12] добавление IL-1β в культурную среду в концентрации 10 и 100 нг/мл усиливало скорость роста клеток Escherichia coli; добавление 100 ед/мл IL-2 или GM-CSF в тканевую культуральную среду также приводило к значительному увеличению роста кишечной палочки. Оказалось, что IL-2, IL-3 и GM-CSF являются ростовыми факторами для Leishmania major и L. donovanii in vivo и in vitro, а TNF-α может усиливать рост другого протозойного паразита Trypanosoma musculi. Рекомбинантный цитокин IL-6 увеличивал рост Mycobacterium avium в монослое макрофагов в 2 раза по сравнению с контролем при концентрации цитокина 100 и 1000 ед/мл [12].

Таблица 1 ‑ Взаимодействие цитокинов с бактериями

Микроорганизм	Действие	Цитокин
Listeria monocytogenes	Стимуляция роста в макрофагах	CSF-1, IL-3
Mycobacterium avium M. tuberculosis	Cтимуляция роста	EGF, IL-6 TGF-β1
E. coli	Cтимуляция роста Cвязывание	IL-1β, IL-2, GM-CSF, TGF-β TNF-α
Salmonella typhimurium Shigella flexneri	Cвязывание	TNF-α
Leishmania sp.	Стимуляция роста	IL-2, IL-3, GМ-CSF

Показано изменение скорости внутриклеточного роста бактерий Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa и Acinetobacter sp. в зависимости от степени активации человеческих моноцитов различными концентрациями провоспалительных цитокинов TNF-α, IL-1β и IL-6. В моноцитах, активированных низкими концентрациями цитокинов, внутриклеточный рост бактерий подавлялся, а высокими – значительно увеличивался [11]. Показано, что скорость размножения вегетативных и некультивируемых форм контрольного штамма сальмонелл, несущего ген pqi, в эксперименте in vivo значительно ускоряется при преинкубации культур с цитокином TNF [10].

Cтимулирующее действие цитокинов на рост патогенных бактерий in vitro, возможно, объясняется наличием на поверхности последних трансмембранных белков, которые связывают с высокой аффинностью человеческий IL-1β. Одной из основных функций молекулярных шаперонов Pap D и Caf 1М является обеспечение секреции белков пилей у E.coli или капсульного белка F1 у Yersinia pestis. Эти структуры похожи на конформацию L-цепи иммуноглобулинов [4]. Вышеуказанный капсульный белок F1 у Y. pestis кодируется капсулярным fl-опероном. У многих патогенных грамотрицательных бактерий – Bordetella pertussis, Klebsiella pneumonia, S. typhimurium, E. coli – найдены генетические структуры, сходные в организации и функционировании с fl-опероном. Эти опероны кодируют трансмембранные белки, которые облегчают выведение на поверхность и правильную сборку органелл, ассоциированных с вирулентностью (капсулы, пили) [10]. Эти данные хорошо сопоставимы, однако, как считают авторы этой статьи, полностью не объясняют эффект стимулирующего действия цитокинов только на вирулентные штаммы в связи с многофакторной природой вирулентности и сложной структурой геномных островов патогенности.

Таким образом, изложенные данные позволяют расширить представление о процессе взаимодействия патогенных бактерий и цитокинов и по-новому оценить последствия этого взаимодействия.

Бактерицидное действие комплекса природных цитокинов на патогенные микроорганизмы изучалось не столь детально. Представлены данные о противомикробном действии in vitro комплекса природных цитокинов на музейные и клинические штаммы Streptococcus pyogenes, устойчивые к антибиотикам [6]. Ранее установлено антибактериальное действие катионного пептидного комплекса лейкоцитарного происхождения в отношении грампозитивной флоры, главным образом стафилококков [3].

Бактерицидное действие комплекса природных цитокинов обусловлено наличием в нём проинтегриноподобных противомикробных пептидов – эндогенных антибиотиков. Эти пептиды синтезируются в клетках млекопитающих и некоторых других животных, широко распространены в природе и высокоактивны в отношении грамположительных и грамотрицательных микроорганизмов, грибов и простейших. Для проявления противомикробного действия таких пептидов необходимо наличие и в среде. Антибактериальные пептиды несут положительный заряд, что определяет их высокое сродство к отрицательно заряженным компонентам клеточной оболочки микроорганизмов. Благодаря электростатическому взаимодействию происходит адсорбция антибактериальных пептидов на поверхности бактерий, образование мультимерных пор и прохождение катионных веществ через плазматическую мембрану внутрь микробной клетки. Внедрение и прохождение антибактериальных пептидов через мембрану микроорганизмов нарушает ее целостность, способствует выходу жизненно важных компонентов и, следовательно, приводит к подавлению дыхания, репликации, транскрипции и гибели микробов [6].

Интересны исследования влияния препаратов цитокинов in vitro на устойчивость бактерий к антибиотикам микробного происхождения [1]. В эксперименте было показано, что TNF-α и IF-γ в той или иной степени усиливали чувствительность штаммов S. aureus, Enterobacter cloacae и E. coli к выбранным антибиотикам (бензилпенициллин, тетрациклин), как по отдельности, так и в сочетании. Препарат IF-α2 наоборот снижал чувствительность этих бактерий к антибиотикам, то есть провоцировал устойчивость, блокируя даже совместное действие TNF-α и IF-γ.

Также установлено, что циклоферон (индуктор эндогенного интерферона), не обладая антимикробным действием, in vitro подавлял факторы персистенции внутриклеточных бактерий – антикомплементарную и антилизоцимную активности [2]. Показано подавление персистентного потенциала у большинства штаммов шигелл, сальмонелл, бруцелл, франциселл. Вероятно, такой эффект in vitro объясняется тем, что циклоферон затрудняет их паразитирование внутри клеток in vivo и повышает эффективность лекарственных воздействий. Следует отметить, что стафилококки оказались менее чувствительными к ингибирующему влиянию циклоферона.

Как видно из вышеизложенного, цитокины способны реагировать непосредственно с микроорганизмами, изменяя скорость их роста и биологические свойства. Поэтому особое внимание следует уделить выбору препаратов и разработке доз при терапии онкологических и инфекционных заболеваний цитокинами IL-1, IL-2, IF-α, IF-γ и TNF-α.

Продолжение исследований, направленных на выяснение форм и механизмов взаимодействия микро- и макроорганизмов посредством цитокинов, весьма перспективно для решения проблем экологии бактерий и инфекционной патологии.

Литература:

1. Афанасьев С.С., Алешкин А.А., Воробьев А.А., Рубальский О.В., Несвижский Ю.В., Воропаева Е.А. Влияние препаратов цитокинов на устойчивость бактерий к антибиотикам in vitro // Журн. микробиол. – 2005. ‑ №3. – С. 95 – 97.

2. Бухарин О.В., Кириллов Д.А., Шинков Н.В., Кириллов В.А. Влияние циклоферона на биологические свойства бактериальных внутриклеточных патогенов // Журн. микробиол. – 2005. ‑ №3. – С. 8 – 10.

3. Волкова Л.В., Косарева П.В., Попов В.Ф., Тимашева О.А. Антибактериальная активность пептидного комплекса, выделенного из препаратов лейкоцитарного интерферона // Журн. микробиол. – 2005. ‑ №5. – С. 54 – 57.

4. Завьялов В.П. Структурно-функциональная классификация и эволюция цитокинов // Вестник РАМН. – 1993. ‑ №2. – С. 8 – 10.

5. Кашкин К.П. Цитокины имунной системы: основные свойства и иммунобиологическая активность (лекция) // Клиническая лабораторная диагностика. – 1998. ‑ №11. – С. 21 – 32.

6. Ковальчук Л.В., Ганковская Л.В., Аведова Т.А., Брико Н.И., Ещина А.С., Дмитриева Н.Ф. Бактерицидное действие комплекса природных цитокинов на Streptococus pyogenes in vitro // Журн. микробиол. – 2006. ‑ №3. – С. 67 – 71.

7. Ковальчук Л.В., Ганковская Л.В., Мороз А.Ф., Аведова Т.А., Ухина Т.В. Противостафилококковое действие комплекса природных цитокинов // Журн. микробиол. – 2004. ‑ №1. – С. 55 – 59.

8. Недоспасов С.А. Фактор некроза опухолей и лимфотоксин: молекулярная генетика, регуляция и физиологическая роль // Генетика. – 2003. ‑ №2. – С. 207 – 214.

9. Перцева Т.А., Конопкина Л.И. Интерфероны и их индукторы // Український хіміотерапевтичний журнал. – 2001. ‑ №2. – С. 62-67.

10. Романова Ю.М., Алексеева Н.В., Степанова Т.В., Разумихин М.В., Шилов И.А., Томова А.С., Гинцбург А.Л. Влияние фактора некроза опухоли на размножения вегетативных и некультивируемых форм сальмонел // Журн. микробиол. – 2002. ‑ №4. – С. 20-25.

11. Романова Ю.М., Бошнаков Р.Х., Баскакова Т.В., Гинцбург А.Л. Механизмы активации патогенных бактерий в организме хозяина // Журн. микробиол. – 2000. ‑ №4. – С. 7-11.

12. Романова Ю.М., Чегаева Е.В., Гинцбург А.Л. Некультивируемое состояние у патогенных бактерий: известные и возможные факторы индукции обратимого процесса // Молек. генетика, микробиол. и вирусол. – 1998. ‑ № 3. – С. 3-8.