Ежедневно в течение всей жизни наш организм находится под воздействием различных физических, химических и биологических факторов: температура, давление, свет, звуки, запахи, вкус пищи и, конечно, бесчисленное количество патогенных микроорганизмов снаружи и внутри организма. Для организма жизненно важно быть в курсе изменений внутренней и окружающей среды. В ходе эволюции появились органы чувств с собственными клетками-сенсорами: глаза, уши, нос и язык. Эволюция шла по пути максимальной специализации органов и клеток сенсоров для восприятия физических и химических факторов, таких как свет, звук, запах и вкус. Однако для восприятия биологических факторов эволюция отказалась создавать особый орган или часть тела и пошла по другому пути. Клетки-сенсоры, способные обнаруживать в организме патогенные микроорганизмы и реагировать на них, присутствуют в каждом органе и ткани. Одними из таких ключевых клеток являются макрофаги, составляющие до 10–15 % от общего количества клеток в каждом органе человека [11].
Макрофаги обеспечивают немедленную реакцию на проникновение в организм чужеродного патогенного агента, являются одними из ключевых клеток системы врожденного иммунитета, участвуют в запуске и реализации реакций системы приобретенного иммунитета. Организм не знает более надежной системы мониторирования биологического параметра. Нарушение функций макрофагов приводит к развитию хронических воспалений, аутоиммунных заболеваний, способствует развитию и прогрессированию онкологических заболеваний.
Образовавшиеся из моноцитов макрофаги в тканях находятся в неактивном состоянии, характеризующемся низким потреблением кислорода, низкой скоростью синтеза белка и умеренной выработкой цитокинов. Далее, в зависимости от степени зрелости, локализации и активации антигенами или лимфоцитами, макрофаги приобретают определенную структурную и функциональную гетерогенность.
Резидентные макрофаги тканей способны быстро реагировать на действие стимулов окружающей среды путем изменения характера экспрессии генов [14]. Такая быстрая реакция, обычно наблюдаемая при воспалении или повреждении ткани, называется активацией макрофагов, при этом увеличивается выработка ими цитокинов, хемокинов и других медиаторов воспаления, которые, в свою очередь, способствуют привлечению новых макрофагов [18].
Макрофаги представляют собой центральное звено врожденного иммунного ответа, и именно их реакция на патоген детерминирует развитие адаптивного иммунитета. А отсюда важное следствие. Макрофаг является основным клеточным трансдуктором биологического сигнала, и для патогенных микроорганизмов, и пыльцы растений, и для других аллергенов на иммунную систему организма. Благодаря иммунной системе происходит распознавание и удаление из организма потенциальных патогенов [17]. Очевидно, что качество и адекватность трансдукции биологического сигнала макрофагами будут определять течение заболеваний и их исход. В связи с этим макрофаги заслуживают самого серьезного внимания при рассмотрении патогенетических особенностей заболеваний с воспалительным компонентом и представляют собой весьма привлекательную терапевтическую мишень с целью коррекции возникающих нарушений.
Роль макрофагов в иммунных реакциях организма: концепция M1/M2
Иммунная защита организма определяется механизмами как врожденного, так и приобретенного (адаптивного) иммунного ответа. К основным клеточным элементам системы врожденного иммунитета относятся гемопоэтические клетки, тучные клетки, базофилы, моноциты, дендритные клетки и, конечно, макрофаги. Адаптивный иммунный ответ опосредован CD4+ и CD8+ T-клетками, регуляторными T-клетками и B-клетками.
Роль макрофагов в формировании иммунного ответа неоспорима. Макрофаг распознает внутриклеточные патогены – бактерии, вирусы, и экстраклеточные патогены, паразиты, простейшие, грибы или гельминты, благодаря наличию у микроорганизмов патоген-ассоциированных молекулярных паттернов (PAMP), например, липополисахарид (ЛПС), а у макрофагов – паттерн-распознающих рецепторов (PRR), таких как Toll-подобных рецепторов (TLR) и рецепторов нуклеотидсвязывающих олигомерных доменов (NOD). При взаимодействии РАМРs внутриклеточных микробов с PRR макрофагов, макрофаги продуцируют провоспалительные цитокины IL-12, TNF-α, IL-18 и кемокины. Кемокины привлекают в фокус воспаления клетки естественные киллеры (NK-клетки), нейтрофилы и наивные Т-лимфоциты (Th0). Продуцируемые макрофагами IL-12, TNF-α и IL-18 взаимодействуют с NK-клетками, увеличивая продукцию IFN-γ этими клетками. IL-12 и IL-18 обеспечивают аутокринную стимуляцию продукции IFN-γ макрофагами.
Если с макрофагами взаимодействуют РАМРs экстраклеточных паразитов – грибов или гельминтов, макрофаги секретируют антивоспалительные цитокины, прежде всего IL-10 и IL-13 и другие кемокины. Кемокины привлекают клетки, продуцирующие IL-4 и IL-13, такие как эозинофилы и базофилы, а также наивные Т-лимфоциты. IL-4 и IL-13 еще больше стимулируют макрофаги к секреции IL-10. IL-10 уменьшает антимикробные характеристики макрофагов за счет подавления высвобождения провоспалительных цитокинов, активных форм кислорода (АФК) и азота.
Взаимодействие макрофагов с РАМРs внутриклеточных микробов, привлечение IFN-γ, продуцирующих клеток и секреция макрофагами IL-12, или альтернативное взаимодействие макрофагов с РАМРs экстраклеточных паразитов, привлечение IL-4 и IL-13, продуцирующих клеток и секреция макрофагами IL-10, представляет собой первую волну альтернативной активации макрофагов и знаменует собой развитие врожденного иммунного ответа. Врожденный иммунный ответ представляет собой первичный относительно неспецифический ответ иммунной системы и распознает наиболее часто встречающиеся микроорганизмы.
Фенотип макрофагов, формирующийся при действии внутриклеточных микробов и/или IFN-γ, получил название «классический» или M1 фенотип. Фенотип макрофагов, формирующийся при действии экстраклеточных паразитов и/или IL-4 и IL-13, получил название «альтернативный» или M2 фенотип.
Таким образом, в зависимости от природы патогенного микроорганизма уже на этапе врожденного иммунного ответа происходит адаптивное альтернативное изменение/программирование фенотипа макрофа-
гов [5; 18].
Наряду с этим, макрофаги в значительной мере предопределяют развитие и специфического адаптивного иммунного ответа [19].
Для успешного удаления патогена макрофаги и антиген-презентирующие клетки запускают адаптивный иммунный ответ либо по клеточному Th1 типу, либо по гуморальному Th2 типу.
Антигены внутриклеточных микроорганизмов, М1 фенотип макрофагов и их провоспалительные цитокины TNF-α, IL-12 и IFN-γ потенциируют развитие Th0 клеток в Th1 клетки. Th1 клеточный ответ обезвреживает вирусы, бактерии и раковые клетки главным образом за счет продукции IFN-γ, который активирует бактерицидные и фагоцитирующие свойства макрофагов [15]. Антигены экстраклеточных паразитов, М2 фенотип макрофагов и их антивоспалительные цитокины IL-10 и IL-4 потенциируют развитие Th0 клеток в Th2 [25]. Th2 гуморальный ответ обезвреживает экстраклеточные бактерии, паразитов и токсины за счет высвобождения значительного количества IL-4, который способствует активации В-клеток и усилению продукции антител [12].
Th1 клетки продуцируют Th1 цитокины, а Th2 клетки – Th2 цитокины [22]. Th1 цитокины и прежде всего IFN-γ, действуя на макрофаги, еще больше поляризуют их в сторону М1 фенотипа [15; 16]. Th2 цитокины и прежде всего IL-4 и IL-13, действуя на макрофаги, еще больше поляризуют их в сторону М2 фенотипа [15; 16]. Таким образом, происходит вторая волна альтернативного программирования фенотипа макрофагов.
На современном этапе уже изучены некоторые функциональные характеристики макрофагов М1 и М2 фенотипов, также в литературе приводятся данные относительно морфологической характеристики М1 и М2 макрофагов. На основании имеющихся литературных данных, фенотипзависимыми характеристиками для макрофагов являются: форма клеток в условиях культуры клеток, продукция цитокинов, а также экспрессия поверхностно-клеточных макрофагальных маркеров.
М1 макрофаги в условиях культуры клеток имеют округлую форму [1; 21] и продуцируют много провоспалительных цитокинов, таких как IL-12, IL-18, TNF-α [16; 18] и большее количество воспалительного белка макрофагов 1α (MIP-1α) [16; 18] по сравнению с М2 фенотипом. Известно, что М1 макрофаги вырабатывают значительное количество NO за счет активации индуцибельной NO-синтазы (iNOS) [4] и много активных форм кислорода [16], которые обусловливают бактерицидную активность макрофагов. Маркерами М1 являются рецептор IL-2 и МАРКО рецептор, B7 (CD80), B7.2 (CD86), CCR7 (MCP-3), CXCL10
(IP-10), TLR-2, TLR-4, FcγRIII (CD16), FcγRII (CD32), LAM-1 (CD62), IL-1R1, IL-7R (CD127), IL-15R (α цепь), IL-17R (CTLA8) (Cdw217) [15; 16]. M1 клетки интегрированы в Th1 клеточный ответ, направленный на инактивацию бактерий, вирусов и опухолевых клеток [15; 16].
М2 макрофаги в условиях культуры клеток имеют фибробластоподобную форму [2; 10; 20; 28] и продуцируют большое количество антивоспалительных цитокинов, таких как IL-10 [15; 16], но значительно меньше АФК и NO, чем М1. Маркерами М2 являются маннозный рецептор (MRC1, CD206), M130 (CD163), FcεRII (CD23), нуклеотидные рецепторы (GPR86, GPR105, P2Y8, P2Y11 и P2Y12), Дектин-1, DC-SIGN (CD209), DCIR (CLECSF6), CLACSF13, FIZZ1, ST2, фагоцитарные рецепторы SR-A и M60, CXCR4, фузин (CD184), TRAIL, ИЛ-1Rα [15; 16]. M2 макрофаги интегрированы в Th2 ответ, направленный на инактивацию экстраклеточных паразитов. M2 клетки регулируют активность воспалительной реакции, способствуют ремоделированию и репарации тканей, поврежденных при воспалении, ангиогенезу и опухолевому росту [15; 16].
Классический М1 фенотип активированных макрофагов хорошо описан в литературе, однако данные относительно М2 фенотипа достаточно противоречивы. Часто в литературе можно встретить подразделение альтернативно активированных М2 макрофагов на 3 группы: М2а, М2b и М2с (таблица) [18].
Получение данных о существовании макрофагов М2а, М2b и М2с фенотипов позволяют конкретизировать целый ряд аспектов формирования иммунного ответа. Появление макрофагов М2а фенотипа было описано при действии IL-4 или IL-13. Такие макрофаги участвуют в активации реакций Тh2 типа. В частности, было показано, что М2а фенотип играет основную роль при гельминтозах. Клетки этого фенотипа регулируют Тh1 и Тh2 реакции в сторону Тh2 (преимущественно за счет угнетения Тh1 реакций), участвуют в заживлении ран, возникших при повреждении гельминтами, и росте соединительной ткани, а также способствуют привлечению эозинофилов в очаг поражения (возможно, за счет выделения лейкотриена В4 и Yml, описанного у мышиных макрофагов) [133]. М2b фенотип был описан при действии иммунокомплексов в сочетании с IL-1β или ЛПС, при этом поляризация макрофагов была связана с активацией Toll-like рецепторов (TLR) и IL-1R. Было показано, что макрофаги М2b фенотипа участвуют в подавлении и регуляции воспалительных и иммунных реакций, и способствуют активации Th2 реакций. Появление фенотипа М2с было описано на фоне действия IL-10, TGF-β или глюкокортикоидов; макрофаги такого типа активируют синтез межклеточного матрикса и участвуют в ремоделировании тканей. Макрофаги М2а и М2b фенотипов обычно проявляют противовоспалительную активность. Макрофаги М2с фенотипа обладают большим сходством с М1 макрофагами, за исключением того, что вместо провоспалительных цитокинов экспрессируют IL-10 [13].
Разновидности М2 фенотипа макрофагов
|
М2а |
М2b |
М2с |
|
|
Стимулы для поляризации |
IL-4, IL-13 |
Иммунокомплексы + ЛПС или IL-1β |
IL-10, TGF-β, глюкокортикоиды |
|
Функции |
Активация Тh2 реакций, привлечение эозинофилов, рост соединительной ткани |
Подавление и регуляция воспалительных и иммунных реакций, активация Тh2 реакций |
Ремоделирование, синтез межклеточного матрикса |
К настоящему моменту в литературе представлена очень скудная информация относительно внутриклеточных механизмов, определяющих поляризацию макрофагов по М1 и М2 фенотипу. Одним из внутриклеточных ферментов, участвующих в поляризации макрофагов, является SH2-содержащая инозитол-5’-фосфатаза (SHIP), которая подавляет пролиферацию, жизнеспособность и активацию гемопоэтических клеток за счет транслокации к мембране и гидролиза вторичного мессенджера фосфатидилинозитол-3-киназы (PI3K) фосфатидилинозитол- 3,4,5-трифосфата (PIP3) до фосфатидилинозитол-3,4-дифосфата (PIР2). В организме нокаутных по SHIP мышей содержится больше макрофагов. Их альвеолярные и перитонеальные макрофаги вырабатывают меньше NO, поскольку постоянно экспрессируют повышенное количество аргиназы 1, которая конкурирует с iNOS за L-аргинин и расщепляет его до орнитина и мочевины. Таким образом, на фоне отсутствия SHIP наблюдается сдвиг в сторону М2 фенотипа, что указывает на его важную роль в процессе программирования макрофагов. SHIP блокирует MyoD88-зависимый и независимый сигналлинг, вызывающий продукцию аутокринно действующего фактора TGF-бета, который усиливает выработку SHIP при действии ЛПС или циклофилина G (CpG) [26].
Кроме того, было показано, что стимуляция макрофагов противовоспалительными цитокинами (IL-10 и TGF-β) приводит к быстрому фосфорилированию/активации АМФ-зависимой протеинкиназы (АМФК), а стимуляция макрофагов ЛПС приводит к ее деактивации. Торможение экспрессии АМФК приводит к значительному увеличению концентрации мРНК ЛПС-индуцированных цитокинов (TNF-α, IL-6 и СОХ-2). При трансфекции макрофагов конституитивно активной АМФК происходило уменьшение выработки IL-6 и TNF-α и увеличение выработки IL-10. Кроме того, АМФК уменьшает деградацию IkВ-α и усиливает активацию Akt, сопровождающуюся торможением киназы гликоген-синтетазы β и активацией CREB [24].
Таким образом, АМФК изменяет внутриклеточный сигналлинг в макрофагах в сторону поляризации по противовоспалительному М2 фенотипу [23].
Показано, что значимую роль в классической поляризации макрофагов по М1 фенотипу играет NFkB. Так, у мышиных макрофагов М2 фенотипа, обнаруживаемых в опухоли, наблюдается пониженная активность NFkB, вследствие повышенной ядерной экспрессии р50 NFkB ингибиторного гомодимера. Они слабо активируются классическими активаторами (ЛПС, CD40L, TNF-α и IL-1β) [23].
При различных патологических состояниях функциональный фенотип макрофагов, обнаруживаемых в очаге патологии, не всегда укладывается в рамки приведенных классификаций. Так, например, при стрептококковой инфекции наблюдается необычная активация макрофагов, сочетающая в себе признаки как классической активации (синтез провоспалительных цитокинов и колониестимулирующих факторов), так и появление некоторых черт альтернативной активации (например, IL-1Rα и синтез IL-10). При этом происходит активация экспрессии аргиназы, но не экспрессируется iNOS, а бактерицидная активность таких макрофагов опосредована преимущественно АФК. У макрофагов такого типа повышена экспрессия генов, кодирующих металлотионины (Mt1 и Mt2), тиоредоксин
редуктазу (Txnrd1) и супероксиддисмутазу 2 (Sod2), которые являются ловушками активных форм кислорода и участвуют в детоксикации свободных радикалов. Также усилена экспрессия эндосомальной простагландин синтазы 2 (PTGS2), которая может участвовать в выработке воспалительных простагландинов. Кроме того, у них наблюдается усиленная экспрессия цитопротективных молекул (семейства Gadd45, участвующих в восстановлении ДНК и Tnfaip3, который является антиапоптотическим ингибитором каспазы 8); возможно, они помогают поддерживать гомеостаз в условиях стресса при стрептококковой инфекции. Таким образом, на фоне стрептококковой инфекции наблюдается смешанный М1/М2 фенотип или смешанная популяция макрофагов [5].
Активированные макрофаги, фенотип которых отличался от стандартного М1 или М2 фенотипа, были обнаружены исследователями и при ряде других патологий. При инфицировании цитомегаловирусом были обнаружены макрофаги М1 фенотипа, однако спектр выделяемых ими хемокинов соответствовал смешанному фенотипу М1/М2 [3]. При развитии злокачественных опухолей также были обнаружены макрофаги смешанного М1/М2 фенотипа [29]. В жировой ткани при ожирении были описаны макрофаги особого фенотипа, по экспрессии поверхностных рецепторов сходного с М2 фенотипом, но вырабатывающего большое количество провоспалительных цитокинов (TNF-α, IL-6, IL-1, МСР-1 и MIP-1α), которые могут приводить к развитию инсулинорезистентности [30].
Заключение
Таким образом, на основании современных литературных данных представляется, что разделение активированных макрофагов в организме на две категории, М1 и М2, является до определенной степени условным. Скорее всего, можно говорить о существовании континуума функциональных состояний макрофагов, на одном из полюсов которого находятся макрофаги, активно стимулирующие воспаление, а на другом – макрофаги, стимулирующие регенерацию ткани после подавления воспалительной реакции. Неактивированные макрофаги, присутствующие в здоровой неповрежденной ткани, будут находиться между этих 2-х полюсов [6; 7].
Разнообразие макрофагальных фенотипов определяется не только различными комбинациями факторов, воздействующих на клетку, но также и последовательностью воздействия этих факторов. Показано, что предварительная обработка макрофагов IFN-γ за несколько часов до стимуляции ЛПС заставляла клетки производить большие количества TNF-α [8], а также приводила к изменению ответа на IL-10 [9]. Это обозначает, что, независимо от первичной поляризации и степени дифференцировки, макрофаги сохраняют способность адекватно отвечать на различные новые стимулы, действующие на них. Такая способность макрофагов получила название пластичности макрофагального фенотипа [6]. В соответствии с концепцией пластичности макрофаги рассматриваются как клетки, обладающие способностью изменять свое состояние в пределах континуума возможных состояний в зависимости от изменений, произошедших в их микроокружении, среде. Например, независимо от фенотипа, макрофаги способны адекватно ответить на неспецифические патоген-ассоциированные молекулярные образы (PAMP), такие как ЛПС или мурамилдипептид. Также макрофаги, проявляющие провоспалительную активность, сохраняют способность отвечать на противовоспалительные сигналы понижением своего воспалительного
потенциала [6].
По сути, континуум или фенотипическая пластичность макрофагов отражает высокую способность макрофагов адаптироваться к меняющимся условиям окружающей среды, с одновременным перепрограммированием в нужную сторону защитных эффекторных и секреторных ответов этих клеток.
С учетом вышесказанного классификация активированных макрофагов на М1 и М2 фенотипы, которые являются крайними формами существования активных макрофагов в организме, представляется в достаточной мере удобной и целесообразной. Вместе с тем необходимо помнить о существовании промежуточных и смешанных фенотипов, и при изучении поведения макрофагов в заданных условиях и при определенных патологиях информация об их функциональной активности, экспрессии тех или иных маркеров и особенностях метаболизма может быть полезна с точки зрения определения общего направления реализации иммунных процессов при данной патологии, участия макрофагов в патогенезе и возможности целенаправленного воздействия на фенотип макрофагов и, таким образом, на ход воспалительной и иммунной реакции.
Работа выполнена в рамках гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых № 14.120.14.2976-МК от 03.02.2014 г.
Рецензенты:Чеснокова Н.П., д.м.н., профессор, профессор кафедры патологической физиологии им. А.А. Богомольца, ГБОУ ВПО «Саратовский ГМУ им. В.И. Разумовского», г. Саратов;
Морозова О.Л., д.м.н., профессор ка-
федры патофизиологии, ГБОУ ВПО «Первый МГМУ им. И.М. Сеченова», г. Москва.
Работа поступила в редакцию 24.10.2014.
Библиографическая ссылка
Лямина С.В., Малышев И.Ю., Малышев И.Ю. ПОЛЯРИЗАЦИЯ МАКРОФАГОВ В СОВРЕМЕННОЙ КОНЦЕПЦИИ ФОРМИРОВАНИЯ ИММУННОГО ОТВЕТА // Фундаментальные исследования. 2014. № 10-5. С. 930-935;URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=35767 (дата обращения: 08.05.2025).