KONDI
Писатель-рыбак
Иммунная система кишечника и ее взаимодействие с микрофлорой
Желудочно-кишечный тракт представляет собой самый обширный ареал обитания микрофлоры в организме, поскольку площадь его поверхности составляет более 300 м2. Биоценоз кишечника является открытым, то есть, микробы извне легко могут попадать туда с пищей и водой. Для поддержания относительного постоянства внутренней среды пищеварительный тракт обладает мощными механизмами антимикробной защиты, основными из которых являются желудочный кислотный барьер, активная моторика и иммунитет.
Иммунная система слизистых оболочек является частью общей иммунной системы организма и в то же время отличается определенной автономностью. Главной ее задачей является обеспечение эффективного защитного барьера на границе соприкосновения внешней среды, изобилующей различными антигенами, как живыми (вирусами, бактериями, паразитами и т.д.), так и неживыми (токсинами, ядами, пищевыми антигенами и т.д.), и внутренней среды организма, сохраняющей относительное постоянство. Поскольку поверхность этого соприкосновения в ЖКТ во много раз превосходит все другие открытые поверхности организма (например, поверхность кожи составляет 2м2, а поверхность легких — 80м2), кишечник должен обладать самыми мощными системами защиты. Действительно, кишечник является самым большим иммунным органом человеческого организма:
Около 80% всех иммунокомпетентных клеток организма локализовано в слизистой оболочке кишечника (СОК)
Около 25% СОК состоит из иммунологически активной ткани и клеток
Каждый метр кишечника взрослого человека содержит около 1010 лимфоцитов.
Морфологически иммунная система кишечника (GALT — gut associated lymphoid tissue) включает:
Клеточные элементы:
Интерэпителиальные лимфоциты
Лимфоциты lamina propria
Лимфоциты в фолликулах
Плазматические клетки
Макрофаги, тучные клетки, гранулоциты
Структурные элементы:
Солитарные лимфоидные фолликулы
Пейеровы бляшки
Аппендикс
Мезентериальные лимфатические узлы
Структурные элементы GALT-системы осуществляют адаптивный иммунный ответ, сущность которого во взаимодействии между антиген-презентирующими клетками (АПК) и Т-лимфоцитами, что контролируется клетками иммунологической памяти.
Защитный слизистый барьер включает не только иммунные, но и не иммунные факторы: непрерывный слой цилиндрического эпителия с тесным соприкосновением клеток друг с другом, покрывающий эпителий гликокаликс, ферменты мембранного пищеварения, а также связанную с поверхностью эпителия мембранную флору (М-флору). Последняя посредством гликоконъюгированных рецепторов соединяется с поверхностными структурами эпителия, усиливая выработку слизи и уплотняя цитоскелет эпителиоцитов.
Тоll-подобные рецепторы (Тоll-like-receptors - TLR) относятся к элементам врожденной иммунной защиты кишечного эпителия, распознающим "своих" от "чужих". Они представляют собой трансмембранные молекулы, связывающие экстра- и интрацеллюлярные структуры. Идентифицировано 11 типов TLR. Они способны распознавать определенные паттерны молекул антигенов кишечных бактерий и связывать их. Так, TLR-4 является главным сигнальным рецептором для липополисахаридов (ЛПС) Грам(-) бактерий, термических шоковых протеинов и фибронектина, TLR-1,2,6 — липопротеинов и ЛПС Грам(+) бактерий, липотейхоевых кислот и пептидогликанов, TLR-3 — вирусной РНК. Эти TLR находятся на апикальной мембране кишечного эпителия и связывают антигены на поверхности эпителия. При этом внутренняя часть TLR может служить рецептором для цитокинов, например, IL-1, IL-14. TLR-5 находится на базолатеральной мембране эпителиальной клетки и распознает флагеллины энтероинвазивных бактерий, которые уже проникли внутрь эпителия.
TLR-рецепторы в ЖКТ обеспечивают:
Толерантность к индигенной флоре
Снижение вероятности аллергических реакций
Доставку антигена антигенпрезентирующим клеткам (АПК)
Повышение плотности межклеточных соединений
Индукцию антимикробных пептидов
Антимикробные пептиды секретируются как циркулирующими клетками, так и клетками эпителия ЖКТ и являются неспецифическими факторами гуморальной иммунной защиты. Они могут быть различны по структуре и функции. Крупные белки выполняют функцию протеолитических ферментов, лизируя клетки, а мелкие нарушают структуру мембран, образуя бреши с последующей потерей из пораженной клетки энергии и ионов и последующим лизисом. У человека главными классами антимикробных пептидов являются кателицидины и дефенсины, среди последних различают альфа- и бета-дефенсины.
Дефенсины - это мелкие катионные пептиды, в нейтрофилах они участвуют в кислород-независимом уничтожении фагоцитированных микробов. В кишечнике они контролируют процессы прикрепления и проникновения микробов. Бета-дефенсины отличаются индивидуальной вариабельностью и представлены практически во всех отделах ЖКТ, поджелудочной и слюнных железах. Они соединяются с дендритными клетками, которые экспрессируют хемокиновый рецептор и регулируют хемотаксис дендритных клеток и Т-клеток. В результате дефенсины принимают участие в адаптивной фазе иммунного ответа. Дефенсины могут стимулировать продукцию IL-8 и хемотаксис нейтрофилов, вызывать дегрануляцию тучных клеток. Они также тормозят фибринолиз, который способствует распространению инфекции, альфа-дефенсины HD-5 и НD-6 обнаружены в клетках Панета в глубине крипт тонкой кишки. Экспрессия НD-5 усиливается при любом воспалении кишки, а НD-6 — только при воспалительных заболеваниях кишечника, альфа-дефенсин hBD-1 представляет собой основную защиту кишечного эпителия, предупреждая прикрепление микроорганизмов в отсутствие воспаления. Экспрессия hBD-2 представляет собой реакцию на воспалительные и и инфекционные стимулы.
У человека выделен только один кателицидин — LL-37/hСАР-18, он обнаружен в верхней части крипт толстой кишки. Усиление экспрессии его наблюдается при некоторых кишечных инфекциях, он обладает бактерицидным действием.
Кишечный эпителий выполняет не только барьерную функцию, но и обеспечивает поступление в организм питательных веществ, витаминов, микроэлементов, солей и воды, а также антигенов. Слизистый барьер не представляет собой абсолютно непреодолимого препятствия, он является высокоселективным фильтром, обеспечивающим контролируемый физиологический транспорт частиц через "эпителиальные отверстия", тем самым может осуществляться персорбция частиц размером до 150 ммк. Вторым механизмом поступления антигенов из просвета кишки является их транспортировка через М-клетки, которые расположены над Пейеровыми бляшками, не имеют микроворсинок, но имеют микроскладочки (М-microfolds). Путем эндоцитоза они транспортируют макромолекулы через клетку, в процессе транспортировки происходит обнажение антигенных структур вещества, на базолатеральной мембране происходит стимуляция дендритных клеток, и в верхней части Пейеровой бляшки антиген презентируется Т-лимфоцитам. Антигены, презентируемые Т-хелперам и макрофагам, распознаются и, в случае наличия на поверхности клеток соответствующих антигену рецепторов, Th0-клетки трансформируются в Th1 или в Th2. Трансформация в Th1 сопровождается выработкой, так называемых, провоспалительных цитокинов: IL-1, ТNF-α, IFN-γ, активизацией фагоцитоза, миграцией нейтрофилов, усилением окислительных реакций, синтезом IgА, все эти реакции направлены на элиминацию антигена. Дифференцировка в Th2 способствует выработке противовоспалительных цитокинов: IL-4, IL-5, IL-10, обычно сопровождает хроническую фазу воспаления с выработкой IgG, а также способствует образованию IgЕ с развитием атопии.
В-лимфоциты в процессе ответа GALT-системы трансформируются в плазматические клетки и выходят из кишечника в мезентериальные лимфоузлы, а оттуда через грудной лимфатический проток — в кровь. С кровью они разносятся в слизистые оболочки различных органов: ротовой полости, бронхов, мочеполовых путей, а также в молочные железы. 80% лимфоцитов возвращается обратно в кишечник, этот процесс носит название homing.
У взрослых в желудочно-кишечном тракте обнаруживаются иммуноглобулины всех классов. В тощей кишке на 1 мм3 ткани приходится 350 000 клеток, секретирующих IgА, 50 000 - секретирующих IgМ, 15 000 - IgG, 3000 - IgD, соотношение клеток, продуцирующих Ig А, М и G составляет 20:3:1. Стенка кишечника способна синтезировать до 3 г иммуноглобулинов в день, причем корреляции между содержанием их в плазме и кишечном соке не существует. В норме преобладающим среди классов иммуноглобулинов в кишечнике является секреторный IgА (SIgА). Он играет основную роль в специфической гуморальной защите слизистой оболочки, как ковром покрывая последнюю и препятствуя присоединению микробов к эпителию, нейтрализуя вирусы, задерживая проникновение в кровь растворимых антигенов. Интересно, что М-клетки захватывают преимущественно антигены в комплексе с IgА с последующей стимуляцией продукции IgА. SIgА, который синтезируется в форме димера, хорошо приспособлен к функционированию в кишечнике — он резистентен к воздействию протеолитических ферментов. В отличие от IgG, основного системного иммуноглобулина, SIgА не является спутником воспаления. Он связывает антигены на поверхности слизистой оболочки, препятствуя проникновению их внутрь организма и тем самым предотвращая развитие воспаления.
Главной функцией GALT-системы является распознавание и устранение антигенов или формирование иммунологической толерантности к ним. Формирование иммунологической толерантности является важнейшим условием существования ЖКТ как барьера на границе внешней и внутренней среды. Поскольку и пища, и нормальная кишечная микрофлора являются антигенами, они не должны восприниматься организмом как нечто враждебное и отторгаться им, они не должны вызывать развития воспалительного ответа. Иммунологическая толерантность к пище и облигатной кишечной микрофлоре обеспечивается через супрессию Th1 интерлейкинами IL-4, IL-10 и стимуляцию Th3 с продукцией ТGF-β при условии поступления низких концентраций антигена. Высокие дозы антигена вызывают клональную анергию, при этом Т-лимфоциты становятся не способными реагировать на стимуляцию и секретировать IL-2 или пролиферировать. ТGF-β представляет собой неспецифичный мощный супрессорный фактор. Возможно, формирование оральной толерантности к одному антигену способствует подавлению иммунного ответа и к другим. ТGF-β способствует переключению синтеза иммуноглобулинов с IgМ на IgА. Иммунологическая толерантность обеспечивается также синтезом Тоll-ингибирующего белка (Тоllip) и связанным с ним снижением экспрессии ТLR-2.
Эффективность работы GALT-системы зависит от заселения кишечника индигенной микрофлорой. Для осуществления взаимодействия между ними М-клетки слизистой оболочки кишечника перманентно транспортируют микробные антигены и презентируют их лимфоцитам, индуцируя их трансформацию в плазмоциты и homing. С помощью этого механизма осуществляется контролируемое противостояние чужеродному для организма антигенному материалу и собственной микрофлоре и сосуществование с ней. Наглядным примером огромного значения, которое имеет физиологическая микрофлора, служат результаты исследований на животных, выращенных в стерильных условиях - гнотобионтах. В отсутствии микробов у млекопитающих отмечено низкое количество Пейеровых бляшек и более чем 10-кратное снижение В-лимфоцитов, продуцирующих IgА. Количество гранулоцитов у таких животных было снижено, а имеющиеся гранулоциты были не способны к фагоцитозу, лимфоидные структуры организма оставались рудиментарными. После имплантации стерильным животным представителей нормальной кишечной флоры (лактобацилл, бифидобактерий, энтерококков) у них происходило развитие иммунных структур GALT. То есть, иммунная система кишечника созревает в результате взаимодействия с кишечной микрофлорой. Эта экспериментальная модель отражает нормальные онтогенетические процессы параллельного становления биоценоза и иммунной системы кишечника у новорожденных.
За последние десятилетия в индустриальных странах отмечается значительный рост аллергических заболеваний. Существует гипотеза, что он связан со снижением воздействия микробных антигенов в результате возросшей гигиены и активной вакцинации. Вероятно, снижение стимулирующего воздействия бактериальных антигенов переключает дифференцировку Th-лимфоцитов с Th1 (с выработкой IL-6, IL-12, IL-18, IFN-γ и IgА) преимущественно на Th2 (с выработкой IL-4, IL-10 и IgG и IgЕ). Это может способствовать формированию пищевой аллергии.
Желудочно-кишечный тракт представляет собой самый обширный ареал обитания микрофлоры в организме, поскольку площадь его поверхности составляет более 300 м2. Биоценоз кишечника является открытым, то есть, микробы извне легко могут попадать туда с пищей и водой. Для поддержания относительного постоянства внутренней среды пищеварительный тракт обладает мощными механизмами антимикробной защиты, основными из которых являются желудочный кислотный барьер, активная моторика и иммунитет.
Иммунная система слизистых оболочек является частью общей иммунной системы организма и в то же время отличается определенной автономностью. Главной ее задачей является обеспечение эффективного защитного барьера на границе соприкосновения внешней среды, изобилующей различными антигенами, как живыми (вирусами, бактериями, паразитами и т.д.), так и неживыми (токсинами, ядами, пищевыми антигенами и т.д.), и внутренней среды организма, сохраняющей относительное постоянство. Поскольку поверхность этого соприкосновения в ЖКТ во много раз превосходит все другие открытые поверхности организма (например, поверхность кожи составляет 2м2, а поверхность легких — 80м2), кишечник должен обладать самыми мощными системами защиты. Действительно, кишечник является самым большим иммунным органом человеческого организма:
Около 80% всех иммунокомпетентных клеток организма локализовано в слизистой оболочке кишечника (СОК)
Около 25% СОК состоит из иммунологически активной ткани и клеток
Каждый метр кишечника взрослого человека содержит около 1010 лимфоцитов.
Морфологически иммунная система кишечника (GALT — gut associated lymphoid tissue) включает:
Клеточные элементы:
Интерэпителиальные лимфоциты
Лимфоциты lamina propria
Лимфоциты в фолликулах
Плазматические клетки
Макрофаги, тучные клетки, гранулоциты
Структурные элементы:
Солитарные лимфоидные фолликулы
Пейеровы бляшки
Аппендикс
Мезентериальные лимфатические узлы
Структурные элементы GALT-системы осуществляют адаптивный иммунный ответ, сущность которого во взаимодействии между антиген-презентирующими клетками (АПК) и Т-лимфоцитами, что контролируется клетками иммунологической памяти.
Защитный слизистый барьер включает не только иммунные, но и не иммунные факторы: непрерывный слой цилиндрического эпителия с тесным соприкосновением клеток друг с другом, покрывающий эпителий гликокаликс, ферменты мембранного пищеварения, а также связанную с поверхностью эпителия мембранную флору (М-флору). Последняя посредством гликоконъюгированных рецепторов соединяется с поверхностными структурами эпителия, усиливая выработку слизи и уплотняя цитоскелет эпителиоцитов.
Тоll-подобные рецепторы (Тоll-like-receptors - TLR) относятся к элементам врожденной иммунной защиты кишечного эпителия, распознающим "своих" от "чужих". Они представляют собой трансмембранные молекулы, связывающие экстра- и интрацеллюлярные структуры. Идентифицировано 11 типов TLR. Они способны распознавать определенные паттерны молекул антигенов кишечных бактерий и связывать их. Так, TLR-4 является главным сигнальным рецептором для липополисахаридов (ЛПС) Грам(-) бактерий, термических шоковых протеинов и фибронектина, TLR-1,2,6 — липопротеинов и ЛПС Грам(+) бактерий, липотейхоевых кислот и пептидогликанов, TLR-3 — вирусной РНК. Эти TLR находятся на апикальной мембране кишечного эпителия и связывают антигены на поверхности эпителия. При этом внутренняя часть TLR может служить рецептором для цитокинов, например, IL-1, IL-14. TLR-5 находится на базолатеральной мембране эпителиальной клетки и распознает флагеллины энтероинвазивных бактерий, которые уже проникли внутрь эпителия.
TLR-рецепторы в ЖКТ обеспечивают:
Толерантность к индигенной флоре
Снижение вероятности аллергических реакций
Доставку антигена антигенпрезентирующим клеткам (АПК)
Повышение плотности межклеточных соединений
Индукцию антимикробных пептидов
Антимикробные пептиды секретируются как циркулирующими клетками, так и клетками эпителия ЖКТ и являются неспецифическими факторами гуморальной иммунной защиты. Они могут быть различны по структуре и функции. Крупные белки выполняют функцию протеолитических ферментов, лизируя клетки, а мелкие нарушают структуру мембран, образуя бреши с последующей потерей из пораженной клетки энергии и ионов и последующим лизисом. У человека главными классами антимикробных пептидов являются кателицидины и дефенсины, среди последних различают альфа- и бета-дефенсины.
Дефенсины - это мелкие катионные пептиды, в нейтрофилах они участвуют в кислород-независимом уничтожении фагоцитированных микробов. В кишечнике они контролируют процессы прикрепления и проникновения микробов. Бета-дефенсины отличаются индивидуальной вариабельностью и представлены практически во всех отделах ЖКТ, поджелудочной и слюнных железах. Они соединяются с дендритными клетками, которые экспрессируют хемокиновый рецептор и регулируют хемотаксис дендритных клеток и Т-клеток. В результате дефенсины принимают участие в адаптивной фазе иммунного ответа. Дефенсины могут стимулировать продукцию IL-8 и хемотаксис нейтрофилов, вызывать дегрануляцию тучных клеток. Они также тормозят фибринолиз, который способствует распространению инфекции, альфа-дефенсины HD-5 и НD-6 обнаружены в клетках Панета в глубине крипт тонкой кишки. Экспрессия НD-5 усиливается при любом воспалении кишки, а НD-6 — только при воспалительных заболеваниях кишечника, альфа-дефенсин hBD-1 представляет собой основную защиту кишечного эпителия, предупреждая прикрепление микроорганизмов в отсутствие воспаления. Экспрессия hBD-2 представляет собой реакцию на воспалительные и и инфекционные стимулы.
У человека выделен только один кателицидин — LL-37/hСАР-18, он обнаружен в верхней части крипт толстой кишки. Усиление экспрессии его наблюдается при некоторых кишечных инфекциях, он обладает бактерицидным действием.
Кишечный эпителий выполняет не только барьерную функцию, но и обеспечивает поступление в организм питательных веществ, витаминов, микроэлементов, солей и воды, а также антигенов. Слизистый барьер не представляет собой абсолютно непреодолимого препятствия, он является высокоселективным фильтром, обеспечивающим контролируемый физиологический транспорт частиц через "эпителиальные отверстия", тем самым может осуществляться персорбция частиц размером до 150 ммк. Вторым механизмом поступления антигенов из просвета кишки является их транспортировка через М-клетки, которые расположены над Пейеровыми бляшками, не имеют микроворсинок, но имеют микроскладочки (М-microfolds). Путем эндоцитоза они транспортируют макромолекулы через клетку, в процессе транспортировки происходит обнажение антигенных структур вещества, на базолатеральной мембране происходит стимуляция дендритных клеток, и в верхней части Пейеровой бляшки антиген презентируется Т-лимфоцитам. Антигены, презентируемые Т-хелперам и макрофагам, распознаются и, в случае наличия на поверхности клеток соответствующих антигену рецепторов, Th0-клетки трансформируются в Th1 или в Th2. Трансформация в Th1 сопровождается выработкой, так называемых, провоспалительных цитокинов: IL-1, ТNF-α, IFN-γ, активизацией фагоцитоза, миграцией нейтрофилов, усилением окислительных реакций, синтезом IgА, все эти реакции направлены на элиминацию антигена. Дифференцировка в Th2 способствует выработке противовоспалительных цитокинов: IL-4, IL-5, IL-10, обычно сопровождает хроническую фазу воспаления с выработкой IgG, а также способствует образованию IgЕ с развитием атопии.
В-лимфоциты в процессе ответа GALT-системы трансформируются в плазматические клетки и выходят из кишечника в мезентериальные лимфоузлы, а оттуда через грудной лимфатический проток — в кровь. С кровью они разносятся в слизистые оболочки различных органов: ротовой полости, бронхов, мочеполовых путей, а также в молочные железы. 80% лимфоцитов возвращается обратно в кишечник, этот процесс носит название homing.
У взрослых в желудочно-кишечном тракте обнаруживаются иммуноглобулины всех классов. В тощей кишке на 1 мм3 ткани приходится 350 000 клеток, секретирующих IgА, 50 000 - секретирующих IgМ, 15 000 - IgG, 3000 - IgD, соотношение клеток, продуцирующих Ig А, М и G составляет 20:3:1. Стенка кишечника способна синтезировать до 3 г иммуноглобулинов в день, причем корреляции между содержанием их в плазме и кишечном соке не существует. В норме преобладающим среди классов иммуноглобулинов в кишечнике является секреторный IgА (SIgА). Он играет основную роль в специфической гуморальной защите слизистой оболочки, как ковром покрывая последнюю и препятствуя присоединению микробов к эпителию, нейтрализуя вирусы, задерживая проникновение в кровь растворимых антигенов. Интересно, что М-клетки захватывают преимущественно антигены в комплексе с IgА с последующей стимуляцией продукции IgА. SIgА, который синтезируется в форме димера, хорошо приспособлен к функционированию в кишечнике — он резистентен к воздействию протеолитических ферментов. В отличие от IgG, основного системного иммуноглобулина, SIgА не является спутником воспаления. Он связывает антигены на поверхности слизистой оболочки, препятствуя проникновению их внутрь организма и тем самым предотвращая развитие воспаления.
Главной функцией GALT-системы является распознавание и устранение антигенов или формирование иммунологической толерантности к ним. Формирование иммунологической толерантности является важнейшим условием существования ЖКТ как барьера на границе внешней и внутренней среды. Поскольку и пища, и нормальная кишечная микрофлора являются антигенами, они не должны восприниматься организмом как нечто враждебное и отторгаться им, они не должны вызывать развития воспалительного ответа. Иммунологическая толерантность к пище и облигатной кишечной микрофлоре обеспечивается через супрессию Th1 интерлейкинами IL-4, IL-10 и стимуляцию Th3 с продукцией ТGF-β при условии поступления низких концентраций антигена. Высокие дозы антигена вызывают клональную анергию, при этом Т-лимфоциты становятся не способными реагировать на стимуляцию и секретировать IL-2 или пролиферировать. ТGF-β представляет собой неспецифичный мощный супрессорный фактор. Возможно, формирование оральной толерантности к одному антигену способствует подавлению иммунного ответа и к другим. ТGF-β способствует переключению синтеза иммуноглобулинов с IgМ на IgА. Иммунологическая толерантность обеспечивается также синтезом Тоll-ингибирующего белка (Тоllip) и связанным с ним снижением экспрессии ТLR-2.
Эффективность работы GALT-системы зависит от заселения кишечника индигенной микрофлорой. Для осуществления взаимодействия между ними М-клетки слизистой оболочки кишечника перманентно транспортируют микробные антигены и презентируют их лимфоцитам, индуцируя их трансформацию в плазмоциты и homing. С помощью этого механизма осуществляется контролируемое противостояние чужеродному для организма антигенному материалу и собственной микрофлоре и сосуществование с ней. Наглядным примером огромного значения, которое имеет физиологическая микрофлора, служат результаты исследований на животных, выращенных в стерильных условиях - гнотобионтах. В отсутствии микробов у млекопитающих отмечено низкое количество Пейеровых бляшек и более чем 10-кратное снижение В-лимфоцитов, продуцирующих IgА. Количество гранулоцитов у таких животных было снижено, а имеющиеся гранулоциты были не способны к фагоцитозу, лимфоидные структуры организма оставались рудиментарными. После имплантации стерильным животным представителей нормальной кишечной флоры (лактобацилл, бифидобактерий, энтерококков) у них происходило развитие иммунных структур GALT. То есть, иммунная система кишечника созревает в результате взаимодействия с кишечной микрофлорой. Эта экспериментальная модель отражает нормальные онтогенетические процессы параллельного становления биоценоза и иммунной системы кишечника у новорожденных.
За последние десятилетия в индустриальных странах отмечается значительный рост аллергических заболеваний. Существует гипотеза, что он связан со снижением воздействия микробных антигенов в результате возросшей гигиены и активной вакцинации. Вероятно, снижение стимулирующего воздействия бактериальных антигенов переключает дифференцировку Th-лимфоцитов с Th1 (с выработкой IL-6, IL-12, IL-18, IFN-γ и IgА) преимущественно на Th2 (с выработкой IL-4, IL-10 и IgG и IgЕ). Это может способствовать формированию пищевой аллергии.
