2 курс / Нормальная физиология / ТЕХНОЛОГИИ_ДИАГНОСТИКИ_И_КОРРЕКЦИИ_ИММУНОМЕТАБОЛИЧЕСКИХ_НАРУШЕНИЙ

МЕТАБОЛИЗМ

кислота, которая оказывает прямое бактерицидное действие на ряд микроорганизмов. Этот конкретный пример показывает, что в результате метаболической перестройки могут синтезироваться метаболиты с прямой антимикробной активностью. Сукцинат, накапливающийся в М1 макрофагах в следствие нарушенного ЦКТ, оказывает прямое влияние на продукцию цитокинов макрофагами. Одним из задействованных механизмов, в этом случае, является ингибирование сукцинатом пролилгидроксилазы, что приводит к стабилизации HIF1α и длительной продукции IL-1β (Tannahill G.M. et al., 2013). Этот путь будет работать как при нормоксии, так и при гипоксии и, следовательно, является механизмом активации HIF1α в аэробных условиях. В совокупности эти исследования показывают, что изменения в ЦКТ, происходящие в М1 макрофагах, приводят к митохондриальному накоплению метаболитов, которые могут способствовать их иммунным функциям. Эти события могут также быть связаны с продукцией оксида азота, который инактивирует цепь переноса электронов в макрофагах.

Окисление жирных кислот в клетках иммунной системы

Окисление жирных кислот играет ключевую роль в регуляции адаптивного и врожденного иммунного ответа (рис. 74). В отличие от аэробного гликолиза, который часто наблюдается в провоспалительных и быстро пролиферирующих клетках иммунной системы, зависимыми от активности окисления жирных кислот являются широкий спектр клеток врожденного и адаптивного иммунитета, которые также демонстрируют увеличенную продолжительность жизни, включая М2 макрофаги, Tregs и Т-клетки памяти.

Доказано, что окисление жирных кислот модулирует воспалительные функции макрофагов. Аберрантное накопление жирных кислот и их производных (например, липопротеидов) в макрофагах коррелирует с образованием пенистых клеток и развитием воспалительных процессов, включая атеросклеротические поражения (O'Neill L.A. et al., 2016). Показано, что повышенный внутриклеточный уровень ненасыщенных жирных кислот (включая олеиновую, линолевую и арахидоновую кислоты), стимулирует выработку IL-1α в пенистых клетках, что приводит к усилению воспаления in vivo (Freigang S. et al., 2013). Усиленная экспрессия конститутивно активной карнитин-пальмитоилтрансферазы I (транспортирует длинноцепочечные жирные кислоты в митохондрии) в клеточных линиях макрофагов повышает окисление жирных кислот, снижает накопление липидов и снижает продукцию воспалительных цитокинов. Следовательно, стимулирование окисления жирных кислот в провоспалительных макрофагах может быть одним из подходов к снижению их воспалительного потенциала.

Также было обнаружено, что окисление жирных кислот играет ключевую роль в дифференцировке макрофагов. В то время как М1 макрофаги (индуцированные стимуляцией IFNγ и липополисахаридами) используют гликолитический метаболизм, функциональная активность М2 макрофагов (определяемые активацией IL-4) ориентирована на систему окисления жирных кислот, которая

180

https://t.me/medicina_free

МЕТАБОЛИЗМ

Рис. 74. Функциональное значение синтеза и окисления жирных кислот

для клеток иммунной системы [по: O'Neill L.A. et al., 2016]. Воспалительные сигналы увеличивают уровень синтеза жирных кислот, что важно для пролиферации клеток иммунной системы и синтеза провоспалительных цитокинов. Напротив, толерогенные стимулы иммунной системы стимулируют окисление жирных кислот, которое необходимо для производства противовоспалительных цитокинов, что приводит к иммунной толерантности и ингибированию воспаления. Эффекторные Т-клетки демонстрируют повышенный уровень синтеза жирных кислот, что необходимо для их роста. В Т-клетках памяти выявляется высокий уровень окисления жирных кислот, что ограничивает их рост и стимулирует продолжительность жизни.

стимулируется STAT6 (сигнальный белок и активатор транскрипции 6) и PPARγ (рецепторы, активируемые пероксисомными пролифераторами) и ингибирует воспалительные сигналы (Huang S.C. et al., 2014). Таким образом, процесс окисления жирных кислот может играть некоторую дополнительную роль в поляризации M2 макрофагов.

Окисление жирных кислот также играет важную роль в регуляции функциональной активности Т-клеток. Обнаружено, что окисление жирных кислот регулирует баланс между провоспалительными эффекторными Т-клетками и Tregs, а также стимулирует активность долгоживущих Т-клеток памяти, которые

181

https://t.me/medicina_free

МЕТАБОЛИЗМ

необходимы для устойчивой и длительной реализации иммунных процессов. В контексте регулирования баланса между эффекторными Т-клетками и Tregs было показано, что Tregs проявляют высокий уровень окисления жирных кислот по сравнению с Т-хелперами 1, 2 и 17 типов, и что окисление жирных кислот способствует генерация Tregs при ингибировании поляризации эффекторных T- клеток (Michalek R.D. et al., 2011). Кроме того, Tregs имеют повышенную экспрессию генов ферментов, участвующих в окислении жирных кислот, включая карнитин-пальмитоилтрансферазу I, по сравнению с клетками Th17лимфоцитами (Gerriets V.A. et al., 2015). Интересно, что в эффекторных Т-клет- ках подавляется окисление жирных кислот во время процесса активации. В соответствии с тем, что окисление жирных кислот ингибирует функцию эффекторных Т-клеток и способствует развитию толерогенного эффекта, лигирование рецептора PD1 на Т-клетках приводит к повышенной экспрессии карнитин-паль- митоилтрансферазы I и повышенному уровню окисления жирных кислот.

Окисление жирных кислот также играет важную роль в формировании и поддержании долгоживущих CD8+Т-клеток памяти. Показано, что CD8+T- клетки памяти, которые медленно пролиферируют в стационарных условиях, но обеспечивают быстрый иммунный ответ на ранее встреченные антигены нуждаются в высоком уровне окисления жирных кислот для своевременного функционального ответа на антигенную стимуляцию (van der Windt G.J. et al., 2013). Стимуляция CD8+T-клеток памяти с помощью IL-15 увеличивает их экспрессию карнитин-пальмитоилтрансферазы I и способствует окислению жирных кислот, приводя к увеличению выживаемости клеток.

В отличие от окисления жирных кислот, которое способствует развитию и активности противовоспалительных клеток иммунной системы, синтез жирных кислот положительно регулирует образование и функцию провоспалительных клеток как врожденной, так и адаптивной иммунной системы (см. рис. 74).

Провоспалительные стимулы, такие как липополисахариды бактериального происхождения и цитокины, вызывают увеличение синтеза жирных кислот в макрофагах (Feingold K.R. et al., 2012). Фактор транскрипции 1c, связывающий регуляторный элемент стерола (SREBP1c), активируется во время дифференцировки моноцитов в макрофаги после обработки макрофагальным колониестимулирующим фактором (M-CSF), что приводит к увеличению экспрессии ряда генов, связанных с системой синтеза жирных кислот, например, гена синтазы жирных кислот. Важно отметить, что увеличение уровня синтеза жирных кислот имело решающее значение для дифференцировки и проявлению провоспалительной функции макрофагов. Установлено, что митохондриальный разобщающий белок UCP2 стимулирует синтез жирных кислот посредством регуляции активности синтазы жирных кислот, что приводит к выраженной воспалительной реакции, развивающейся на фоне (Moon J.S. et al., 2015).

182

https://t.me/medicina_free

МЕТАБОЛИЗМ

В ряде исследований показано, что синтез жирных кислот обеспечивает связь между врожденным и адаптивным иммунитетом посредством регуляции функции ДК. Было обнаружено, увеличение уровня синтеза жирных кислот является обязательным условием при опосредованной через Toll-подобные рецепторы активации ДК, что значительно стимулирует их функциональный ответ по отношению к цитотоксическим Т-лимфоцитам (Everts B. et al., 2015). Синтез жирных кислот также является ключом к реализации функциональной активности Т- и В-клеток: синтез жирных кислот и стеролов необходим для клеточной пролиферации после активации этих клеток через их антигенные рецепторы (Dufort F.J. et al., 2014). Специфичная для Т-клеток делении ацетил-КоА-кар- боксилазы 1 (фермент, ограничивающий скорость синтеза жирных кислот) приводит к снижению уровня бласттрансформации и понижению накопления анти- ген-специфических CD8+Т- клеток. Этот дефект может быть преодолен добавлением экзогенных жирных кислот к дефицитным по ацетил-КоА-карбоксилазе 1 Т-клеткам (Lee J. et al., 2014).

Уровень синтеза жирных кислот также влияет на баланс эффекторных Т- клеток и Tregs. Фармакологическое или генетическое ингибирование ацетил- КоА-карбоксилазы 1 в CD4+T-клетках показало, что синтез жирных кислот необходим для правильной дифференцировки Th17-клеток, но не для формирования и функционирования Tregs (O'Neill L.A. et al., 2016).

Wang C. et al. (2015) показали, что белок, называемый CD5-антигеноподоб- ным (CD5L), связывает синтазу жирных кислот и, как полагают, способствует выработке полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК). Этот белок экспрессируется именно на Th17-клетках, которые продуцируют низкие уровни IL-17, синтезируют в большом количестве противовоспалительный цитокин IL-10 (Wang C. et al., 2015). Показано, что у мышей эта фракция Th17-клеток имеет гомеостатическое значение в кишечнике, предотвращая инвазию микробной флоры в кишечника и стимулируя функцию эпителиального барьера, тогда как у людей они могут играть роль в защите хозяина от Staphylococcus aureus. ПНЖК, вероятно, модулируют выработку лигандов, производных от холестерина, для RORγt, ключевого транскрипционного фактора для Th17-клеток. Соответственно, модифицированные лиганды для RORγt способствуют выработке IL-10, одновременно ограничивая синтез IL-23 и IL-17. При патогенном воздействии на Th17лимфоциты, экспрессия CD5L понижается и это может способствовать продукции насыщенных жирных кислот (за счет активации синтазы жирных кислот), что, в свою очередь, способствует образованию лигандов для RORγt, которые усиливают активность клеток в синтезе IL-23 и IL-17, но, при этом, ограничивая их способность синтезировать IL-10 (рис. 75).

183

https://t.me/medicina_free

МЕТАБОЛИЗМ

Рис. 75. Роль синтеза и окисления жирных кислот (в процессе липидного

обмена) в механизмах регуляции функциональной активности Th17-

клеток [по: Wang C. et al., 2015].

ROR t – фактор транскрипции RAR-родственных орфанных ядерных рецепторов (ROR); SFA – насыщенные жирные кислоты (saturated fatty acids);

PUFA – полиненасыщенные жирные кислоты (polyunsaturated fatty acid).

В целом, процессы окисления и синтеза жирных кислот играют противоположные роли в иммунной системе. При этом окисление жирных кислот преимущественно проявляется в противовоспалительных и толерогенных клетках иммунной системы, тогда как синтез жирных кислот характерен для провоспалительных клеток врожденного и адаптивного иммунитета.

Особенности метаболизма аминокислот в клетках иммунной системы

Путь mTOR играет важную роль в клеточном метаболизме, в том числе в регуляции аминокислотного состава и их количества для взаимосвязи доступности питательных веществ при клеточным росте и пролиферации. Поэтому неудивительно, что доступность и метаболизм различных аминокислот играют важную роль в реализации различных функций клеток иммунной системы (рис. 76).

184

https://t.me/medicina_free

МЕТАБОЛИЗМ

Катаболизм глутамина регулирует многочисленные аспекты функций клеток иммунной системы и играет важную роль в контексте генеза различных иммунопатологических состояний, например, сепсис (Kelly D., Wischmeyer P.E., 2003). Показано, что глутамин необходим для индукции IL-1 макрофагами в ответ на стимуляцию бактериальными полисахаридами (O'Neill L.A. et al., 2016). Кроме того, метаболизм глутамина также важен для образования оксида азота за счет участия в синтезе аргинина, что демонстрирует роль данной аминокислоты в цитотоксических и антимикробных функциях фагоцитирующих клеток. Фармакологическое ингибирование активности глутаминазы или изъятие глутамина из культуральной среды приводило к снижению продукции оксида азота активированными макрофагами. Установлено, что глутамин активно участвует в ЦТК и пути синтеза гексозамина и способствует поляризации М2 макрофагов в ответ на стимуляцию IL-4, тогда как липополисахарид-стимулированные М1 макрофаги М1 не нуждаются в глутамине для своего развития (Jha A.K. et al., 2015).

Функциональные ответы Т- и В-клеток также регулируются метаболизмом глутамина. Метаболизм глутамина заметно возрастает при активации как Т-кле- ток, так и В-клеток, и обе популяции нуждаются в глутамине для ответа на стимуляцию антигенных рецепторов (O'Neill L.A. et al., 2016; Wang R. et al., 2011). Гетерозиготный нокаут глутаминазы в Т-лимфоцитах приводил к повышенным уровням синтеза АФК, который возрастал при гипоксии, указывая на роль метаболизма глутамина в контроле стресса АФК. Метаболизм глутамина также регулирует баланс между эффекторными Т-клетками и Tregs, поскольку генетическая потеря белка-транспортера ASCT2 (который отвечает за поглощение нейтральных аминокислот, таких как глутамин и лейцин) в Т-клетках приводила к нарушению образования и функции клеток Th1- и Th17-клеток, тогда как генерация Tregs была не изменена (Nakaya M. et al., 2014). Иллюстрируя ключевую связь между уровнями аминокислот и активностью пути mTOR в иммунной системе, это же исследование показало, что потеря ASCT2 или снижение уровней глутамина в культуральной среде приводит к снижению активности mTORC1, что совпадает с наблюдаемыми дефектами эффекторных Т-клеток.

Метаболизм аргинина также играет ключевую роль в проявлении провоспалительной функции макрофагов (Rath M. et al., 2014). Макрофаги используют аргинин в двух разных метаболических путях: пути синтеза оксида азота и аргиназы. Аргинин-зависимый путь синтеза оксида азота наиболее выражен в провоспалительных М1 макрофагах. В данном случае аргинин через цетруллиин превращается в оксид азота, процесс опосредуется индуцибельной синтазой оксида азота (iNOS). При этом экспрессия iNOS сама по себе необходима для функции провоспалительных макрофагов, поскольку макрофаги, полученные от мышей с дефицитом iNOS, демонстрируют дефект завершенного фагоцитоза бактериальных и опухолевых клеток in vitro. Кроме того, экспрессия аргиназы в макрофагах ограничивает провоспалительный потенциал эффекторных Т-клеток

185

https://t.me/medicina_free

МЕТАБОЛИЗМ

Рис. 76. Функциональное значение метаболизма аминокислот для клеток

иммунной системы

[по: O'Neill L.A. et al., 2016].

В макрофагах глутамин и аргинин имеют решающее значение для реализации функциональной активности, включая выработку цитокинов и оксида азота. Аргинина в макрофагах является ключевым в поляризации провоспалительных и толерогенных клеток. Активация метаболизм триптофана в макрофагах может привести к ингибированию активности адаптивного иммунитета. Активация метаболизма глутамина в Т-клетках необходима в ответ на стимуляцию Т-клеточного рецептора, что приведет к усилению пролиферативного ответа и продукции цитокинов. Триптофан играет важную роль в стимулировании пролиферации Т-клеток, отсутствие его может быть причиной неспособности Т-лимфоцитов реагировать на инфекционные

иопухолевые антигены.

иположительно коррелирует с тяжестью заболевания как при висцеральном

лейшманиозе, так и при ВИЧ-инфекции (Takele Y. et al., 2013). Указывая на возможную иммунорегуляторную роль метаболизма аргинина, было обнаружено, что аргинин регулирует экспрессию компонентов Т-клеточного рецептора и стимулирует пролиферацию Т-лимфоцитов человека (Rodriguez P.C. et al., 2006). Подобно тому, что наблюдается при дефиците глутамина, активность mTORC1 в Т-клетках подавляется в культурах in vitro при истощении и по аргинину.

186

https://t.me/medicina_free

МЕТАБОЛИЗМ

Триптофан еще одна аминокислота, которая, как было замечено, играет ключевую роль в модуляции функций клеток иммунной системы. Показано, что лечение животных высокими дозами экзогенного триптофана приводило к развитию аутоиммунного фенотипа, характеризующегося аберрантной функцией эозинофилов (O'Neill L.A. et al., 2016). Многие исследования иммунорегуляторной роли метаболизма триптофана в клетках иммунной системе были сосредоточены на роли фермента, называемого индоламин-2,3-диоксигеназой (IDO), который отвечает за лимитирующую стадию катаболизма триптофана. Экспрессия IDO стимулируется воздействием липополисахаридов на фагоцитирующие клетки. Кроме того, для активации синтеза IFNγ необходимо увеличение катаболизма триптофана путем запуска экспрессии IDO (Werner E.R. et al., 1989). Также было обнаружено, что катаболизм триптофана в клетках-хозяевах может предотвращать рост бактерий и паразитов, лишая последние необходимого субстрата для анаболического роста (Schroten H. et al., 2001). При более прямом анализе роли метаболизма триптофана в иммунной системе было показано, что Т-клет- кам требуется триптофан для пролиферации in vitro, тогда как управление экспрессией IDO и катаболизмом триптофана в АДК приводит к ингибированию стимуляцию Т-лимфоцитов (Lee G.K. et al., 2002). Таким образом, различные аспекты метаболизма триптофана, в том числе метаболиты, образующиеся при катаболизме триптофана (такие как кинуренин) могут играть важную роль в модулировании функции клеток иммунной системы.

Значение метаболизма триптофана для клеток иммунной системы стала областью интенсивных исследований, поскольку она также связана со склонностью опухолевых клеток уклоняться от иммунного ответа. Во многих типах опухолей экспрессия IDO наблюдается как в опухолевых клетках, так и в ассоциированных с опухолью стромальных клетках, а повышенные уровни экспрессии IDO коррелируют с неблагоприятным прогнозом при некоторых типах рака (Weinlich G. et al., 2007). Принудительная экспрессия IDO в опухолевых клетках нарушает противоопухолевый ответ Т-клеток, что можно преодолеть путем фармакологического ингибирования IDO с помощью 1-метилтриптофана. Будущие исследования роли метаболизма аминокислот в реализации функций клеток иммунной системы, может дать важные новые сведения о механизмах управления реактивностью иммунной системы.

187

https://t.me/medicina_free

МЕТАБОЛИЗМ

Глава 7. Метаболизм клеток иммунной системы при онкологических заболеваниях

Рак является одной из основных причин смерти от злокачественных новообразований среди мужчин и женщин во всем мире [Давыдов М.И., Аксель Е.М., 2002; Аксель Е.М., 2011; Давыдов М.И., Аксель Е.М., 2011]. Статистическое изучение факторов, влияющих на возникновение и течение болезни, свидетельствует о том, что факторы внешней среды — одна из основных причин развития рака. Так, табакокурение преобладает среди факторов, способствующих развитию рака легкого, и представляет смесь физических и химических канцерогенов. Этим и обусловлено, что злокачественными новообразованиями легких в 1,5–2 раза чаще болеют жители крупных промышленных городов, где велик выброс в атмосферу канцерогенных веществ за счет заводов, двигателей внутреннего сгорания, металлургической и химической промышленности, производства удобрений. Риск возникновения рака легкого повышен у рабочих, занятых на производстве алюминия, кокса, чугуна и стали, асбеста, каменноугольной смолы, никеля и его соединений, талька и веществ, содержащих асбестоподобные волокна [Fucic A. et al., 2010; Dela Cruz C.S. et al., 2011; Torok S. et al., 2011; Yano T. et al., 2011].

Однако в качестве основных этиологических факторов развития рака легкого выделяют также и генетическую предрасположенность. На сегодняшний день рак легкого считается мультифакториальной генетической болезнью [Кузнецова И.А. и др., 2012; Cheng Z. et al., 2012; Hou X.H. et al., 2012; Otsuki T. et al., 2012; Wei H.B. et al., 2012]. Доказано, что канцерогенез по своей сути является процессом длительного накопления мутаций и «эпимутаций» прото- и антионкогенов. Выделяют группу онкоассоциированных аллелей, представляющих собой нормальные варианты генов, которые определяют повышение риска развития рака легкого. Так, в ряде исследований установлено, что полиморфизмы генов системы биотрансформации ксенобиотиков GSTM1 и GSTT1 (глутатион-S- трансферазы классов М1 и Т1) служат фактором риска развития рака легкого. Это связано с тем, что снижается активность глутатион-зависимой системы биотрансформации ксенобиотиков, что повышает патогенность влияния вредных факторов окружающей среды (в том числе и курения) на легочную ткань и, соответственно, повышает вероятность развития рака легкого [Ушакова Н.В. и др., 2006; Cabral R.E. et al., 2010; Timofeeva M. et al., 2010; Ada A.O. et al., 2012; Li W. et al., 2012; Pliarchopoulou K. et al., 2012]. Глутатион-S-трансферазы (GST) являются группой ферментов (состоят из 4 классов), которые обладают широкой субстратной специфичностью, метаболизируя многие субстраты [Higgins L.G. et al., 2011; Chen J. et al., 2012; Lannutti F. et al., 2012; Sireesha R. et al., 2012; Sotton B.

188

https://t.me/medicina_free

МЕТАБОЛИЗМ

et al., 2012; Zhang W. et al., 2012]. Различия в уровнях активности изоферментов GST, определяемые полиморфными вариантами соответствующих генов, обусловливают изменения в способности и скорости метаболизма ксенобиотиков. Доказано, что при снижении активности GST классов М1 и Т1 риск развития рака легкого возрастает в 16–41 раз, в то же время при снижении активности GST только класса М1 он увеличивается в 2,5 раза [Alexandrie A.K. et al., 2004; Sobti R.C. et al., 2004; Vineis P. et al., 2004; Wenzlaff et al., 2005].

Наряду с полиморфизмом генов системы биотрансформации ксенобиотиков в последнее время все большее внимание уделяется гену-онкосупрессору р53, который играет центральную роль в поддержании стабильности генома и предотвращает процесс удвоения поврежденной ДНК. Продукт данного гена (белок р53) блокирует процесс деления клетки в случае повреждения ее ДНК [Gu B., Zhu W.G., 2012; Sahin E., DePinho R.A., 2012; Roemer K., 2012 Wang X., Jiang X., 2012]. Причем в случае невозможности репарации ДНК белок р53 запускает механизм апоптоза. Белок р53 является фактором транскрипции и регулирует активность большого числа генов, которые участвуют в торможении клеточного цикла, активации апоптоза и ингибированию ангиогенеза [(Freed-Pastor W.A., Prives C., 2012; Knappskog S., Lønning P.E., 2012; Miyake N. et al., 2012; Zwang Y. et al., 2012]. Таким образом, мутация гена р53 играет ключевую роль в приобретении клеткой злокачественного фенотипа.

Еще одним фактором, обусловливающим развитие рака, является снижение реактивности иммунной системы. В то же время, с одной стороны, доказано, что именно иммунодефицитное состояние определяет развитие злокачественной опухоли [Hadden J.W., 2003; Hamelin R. et al., 2004; Makinson A. et al., 2010; de Miranda N.F. et al., 2011]. С другой стороны, накапливается все больше сведений, что сама опухоль индуцирует развитие иммунной супрессии, которая может проявляться в широком диапазоне от незначительной степени до полной анергии. Механизмы, ответственные за нарушения функции иммунной системы, в настоящее время полностью не определены. В целом установлено, что у больных онкологическими заболеваниями дисфункция иммунной системы проявляется в нарушении антигенпредставляющей функции антигенпрезентирующих клеток, эффекторной функции Т-лимфоцитов, уменьшении пролиферативного индекса и экспрессии отдельных субъединиц рецептора IL-2, а также в нарушении баланса синтеза цитокинов [Sun T. et al., 2009; Biswas S.K., Mantovani A., 2010; Görgün G., Anderson K.C., 2011; Lum L.G., Thakur A., 2011; Morre M., Beq S., 2012].

Тем не менее, несмотря на ряд исследований, определяющих важную роль иммунной системы и полиморфизма различных генов в развитии рака легкого, многое в патогенезе данного онкологического заболевания остается неизученным. В частности, отсутствуют исследования метаболического статуса клеток иммунной системы при данном заболевании в зависимости от гистологического типа рака легкого, стадии заболевания и генетического полиморфизма.

При исследовании состояния активности НАДФ-зависимых дегидрогеназ в лимфоцитах крови у больных раком легкого в зависимости от гистологического типа опухоли (рис. 77) установлено, что активность Г6ФДГ снижается в

189

https://t.me/medicina_free