Komerční prezentace
Registrace uživatele

Přihlašte se k odběru informací, novinek, získejte přístup do diskuzního fóra.

Vesmír č. 10
Vesmír č. 10
Toto číslo vychází
2. 10. 2017
Novinky
Zdarma jedno celé číslo Vesmíru v pdf.
• Říjnové číslo Vesmíru
reklama

Imunita a tolerancia

Jin a Jang imunitného systému

Publikováno: Vesmír 92, 224, 2013/4

Čím väčšmi miluješ sám seba, tým väčším nepriateľom sa stávaš sám sebe

Maria von Ebner-E schenbachová

Život na Zemi predstavuje obrovský ekosystém organizmov žijúcich v rovnováhe a harmónii. Táto harmónia je však iba zdanlivá, pretože v reálnom svete je kontinuita druhov bytostne spätá s bojom o prežitie, merateľným početnosťou jednotlivých druhov. V tomto ohľade sú, v biologickom zmysle slova, pánom našej planéty baktérie. Tieto voľným okom neviditeľné bytosti tvoria 80 % všetkej zemskej biomasy a suverénne ovládajú vzduch, zem, vodu a dokonca aj miesta s extrémnymi životnými podmienkami. I v našom črevnom trakte je ich viac než vlastných buniek tela. Dokonca sa odhaduje, že každý z nás je hostiteľom viac než 3000 rôznych bakteriálnych druhov, ktoré majú súhrnne k dispozícii zhruba 3 milióny rôznych génov, z ktorých mnohé slúžia k virulencii a potenciálnemu zničeniu hostiteľa. Sme doslova vnorení do „bakteriálneho mraveniska“, kde jedinou stratégiou na prežitie je dokonalá obrana. A to ešte nepočítame armádu vírusov a parazitov pre ktorých sme tiež výdatnou „živnou pôdou“. Je záhadou, ako môže človek so svojimi približne 18 000 génmi vzdorovať takejto početnej a všadeprítomnej presile. Za tento heroický výkon a udatnosť vďačíme imunitnému systému. Ten je síce svojou povahou obranný, ale stratégia obrany je aktívna a založená na časovo-priestorovej koordinácii jeho buniek, za účelom zničenia biologických a environmentálnych činiteľov, ktoré ohrozujú existenciu jedinca. Deštrukčná vlastnosť nášho imunitného systému je založená na využití, z evolučného hľadiska novej schopnosti, spolupráce dvoch základných typov buniek, patriacim k podsystému vrodenej a získanej imunity.

Aktivácia imunitného systému

Bunky vrodenej imunity, napríklad makrofágy a dendritické bunky sú evolučne staršie a schopné fagocytovať mikroorganizmy i cudzorodé častice, ktoré objavili v našom tele. Po pohltení ich enzymaticky „rozsekajú“, vytvorené fragmenty vložia do žliabku špeciálnej molekuly (MHC) a v jej kontexte prezentujú na svojom bunkovom povrchu ako antigény. Dôležitou súčasťou takejto bunky prezentujúcej antigén (APC) je súbor špeciálnych receptorov zo skupiny PRR (Pattern Recognition Receptors), ktoré vo fagocytovanom materiáli s neomylnou presnosťou detegujú prítomnosť molekúl vlastných výlučne mikroorganizmom. Takto detegované nebezpečenstvo infekcie sa potom signalizuje výstražnými tzv. kostimulačnými molekulami typu CD80 alebo CD86 umiestnenými na povrchu bunky prezentujúcej antigén spolu s MHC-antigénovým komplexom. To je veľmi dôležité, pretože aktivácia PRR receptorov rozhoduje o tom či a do akej miery sa bude imunitný systém aktivovať (obr. 1).

Na druhej strane, bunky získanej imunity (predstavované T a B lymfocytmi) sú evolučne mladšie a s úplne iným typom receptoru. Ten vzniká náhodným spojením niekoľkých jeho segmentov, ktorých mnohonásobné variácie máme v sebe geneticky zakódované. Navyše, variabilita týchto receptorov je umocnená biochemickou úpravou segmentov pri ich spájaní. Štatisticky to poskytuje u človeka možnosť zostavenia približne 1016 rôznych T-bunkových receptorov (TCR, T-cell receptor), líšiacich sa od seba schopnosťou preferenčne viazať odlišný antigén; vlastnosť nazývaná antigénna špecifickosť. Takáto variabilita receptorov zabezpečí, že lymfocyty sú schopné rozpoznať akýkoľvek antigén s ktorým sa počas života stretneme a to bez ohľadu na to, či pochádza z mikroorganizmu alebo z nášho vlastného tela. Základným pravidlom je, že každému lymfocytu je dopriate poskladať si len jeden variant tohto receptoru. Samotné rozpoznanie komplexu antigén-MHC pomocou T-bunkových receptorov vygeneruje primárny signál, ktorý však nie je dostatočným signálom na aktiváciu T-bunky. K tomu je nevyhnutná aj prítomnosť kostimulačných molekúl, ktoré poskytnú doplnkový, sekundárny signál. Bunky prezentujúce antigén tak plnia funkciu akýchsi „inštruktorov“ a umožnia aktiváciu imunitného systému len v prípade, keď T-bunky rozpoznajú antigény derivované z patogénov, pretože tie indukujú produkciu kostimulačných molekúl nevyhnutných k naštartovaniu imunitnej reakcie proti nositeľovi daného antigénu (obr. 1). Naproti tomu, ak fagocytujúca bunka požiera umierajúce, zostarnuté alebo poškodené bunky svojho hostiteľa, nebudú sa pri ich prezentácii produkovať kostimulačné molekuly a k aktivácii T-buniek nedôjde. Takáto forma spolupráce dvoch imunitných podsystémov na bunkovej úrovni počas normálneho fyziologického stavu vedie k účinnému rozpoznaniu, usmrteniu a odstráneniu akéhokoľvek mikrobiálneho votrelca ohrozujúceho naše zdravie, pričom sa k vlastným bunkám hostiteľa správa tolerantne a neútočí na ne.

Autoimunita

Na prvý pohľad by sa teda mohlo zdať, že náš obranný systém je predurčený na rozpoznávanie a likvidáciu patogénov. Z medicínskej praxe však vieme, že tomu tak nie je. Imunitný systém môže byť rázne nasmerovaný aj proti bunkám a štruktúram svojho vlastného hostiteľa. Tento seba deštrukčný proces sa všeobecne nazýva autoimunita. Názorným príkladom je cukrovka prvého typu kde sa z malej časti imunitných buniek stane vnútorný nepriateľ napádajúci vlastné beta-pankreatické bunky produkujúce inzulín. Úlohou pre imunológov teda nie je len pochopenie mechanizmu aktivácie imunitného systému v prítomnosti patogénu, ale aj odhalenie toho, akým spôsobom dôjde k jeho funkčnému kolapsu vedúcemu k nabúraniu tolerancie k hostiteľovi a k autoimunite.

Kľúčom k objasneniu základných imunitných procesov vedúcich k imunitnej tolerancii je, že samotné lymfocyty nie sú schopné odlíšiť telu vlastné a cudzorodé antigény. Na rozdiel od receptorov PRR, ktorých antigénna špecifičnosť namierená proti evolučne konzervovaným mikrobiálnym komponentom bola pod dlhodobým selekčným tlakom na prežitie mikrobiálnych infekcií, receptory lymfocytov sú náhodne vytvárané „de novo“ za života bunky a nemajú „evolučnú pamäť“. Autoreaktívne lymfocyty nesú pre organizmus značné riziko autoimunity, lebo počas zápalových procesov sa môžu tieto bunky u geneticky náchylných jedincov aktivovať. V tomto smere, uvedený citát Márii von Ebner-Eschenbachovej, metaforicky vyjadrujúci „samoľúbosť“ týchto T-buniek, je prvoradým predpokladom k autoimunitnému ochoreniu. Aby sa tomuto predišlo, autoreaktívne T-bunky sú zo systému eliminované a ich aktivita je striktne regulovaná. Tento typ regulácie v mnohom pripomína edukačný systém založený na sérii kontrolných testov, ktoré rozhodnú o funkčnej kompatibilite T-bunkových receptorov s imunitným systémom hostiteľa. Je však nutné podotknúť, že ide o školu „drsnejšieho typu“, v ktorej trestom za nesplnenie požadovaných kritérií pri overovacích skúškach je najvyšší možný trest, ihneď vykonaný spustením mechanizmu geneticky programovanej bunkovej smrti. Znie to kruto, ale takto tragicky skončí až 98 % T-buniek, čo je denne približne 50 miliónov T-buniek, ktoré sa podrobili skúške „tolerancie a vernosti“ svojmu hostiteľovi. Netreba však byť sentimentálny, nebyť tejto nekompromisnej selekcie, sami by sme boli v ohrození života. Kde v tele sa však tieto „popravy“ T-buniek odohrávajú?

Týmus a tolerancia

Životná dráha každej T-bunky začína v kostnej dreni, odkiaľ putujú do týmusu, orgánu, ktorý sa nachádza tesne za hrudnou kosťou. Ten bol ešte na začiatku 60. rokov minulého storočia považovaný za evolučný rudiment bez funkcie. Až neskôr sa ukázalo, že týmus funguje pre T-bunky ako škola, kde si zostavia svoj vlastný receptor a funkčne ho otestujú. Tie, ktoré testom neprejdú, majú skrátka smolu. O niečo neskôr sa zistilo, že samotné odobratie týmusu, pár dní po narodení jedinca, vedie ku vzniku mnohonásobných autoimunitných ochorení. To naznačilo, že v týmuse sa rodí aj iný typ buniek, schopných tlmiť autoreaktivitu T-buniek, ktoré sa nepodarilo selekciou odstrániť. Molekulárno- biologické pozadie týchto fascinujúcich experimentov sa však podarilo objasniť až nedávno – na začiatku 21. storočia.

Funkciou týmusu je vyselektovať len tie T-bunky, ktoré sú schopné rozpoznať cudzorodé antigény prezentované v komplexe s MHC. Vhodnosť antigénnej špecifickosti T-bunkových receptorov sa v týmuse najprv podrobuje testu schopnosti reagovať s molekulami MHC na povrchu špeciálnych kortexových epiteliálnych buniek (cTEC), ktoré ich produkujú. Tieto molekuly MHC sú zhodné s tými, ktoré nachádzame na povrchu fagocytujúcich buniek, prezentujúcich antigén. T-buňky nesúce receptor, ktorý nereaguje s MHC, sú pre imunitný systém nezaujímavé a umierajú. Podobne sú odstránené T-bunky reagujúce so samotnými MHC tak silne, že sa aktivujú bez ohľadu na povahu antigénu. Úspešne týmto prvým „vernostným“ testom (tiež nazývaným pozitívna selekcia) prejdú tie T-bunky, ktoré s MHC interagujú len relatívne slabo (obr. 2, vrchná časť). Týmto bunkám je dovolené sa presunúť do meduly, morfologicky odlišného oddelenia týmusu, kde dochádza k ďalšiemu funkčnému testu, tzv. negatívnej selekcii (obr. 2, spodná časť).

V tomto prípade sa „maturujúcim“ T-bunkám prezentujú proteíny, ktoré sú vlastné telu hostiteľa, nazývané autoantigény. S nimi príde T-bunka do kontaktu pri putovaní telom. Príkladom môže byť inzulín produkovaný beta-bunkami pankreasu. V medule sú tieto autoantigény prezentované medulárnymi epiteliálnymi bunkami (mTEC), ktoré predstavujú medzi epiteliálnymi bunkami funkčný unikát. Tie totiž syntetizujú obrovskú paletu proteínov výhradne produkovaných len v určitých tkanivách tela, z čoho je aj odvodená ich anglická skratka TRA (Tissue Restricted Antigens). Tieto proteíny sa v medulárnych epiteliálnych bunkách fragmentujú a prezentujú ako autoantigény v komplexe s MHC. Dlhú dobu sa špekulovalo, ako by mohla byť produkcia TRA v medulárnych epiteliálnych bunkách naštartovaná. Riešenie sa našlo až v roku 1997, keď sa dokázalo, že ich syntézu reguluje novoobjavený transkripčný faktor, nazývaný AIRE (Autoimmune regulator).

Z klinického hľadiska je zaujímavé, že mutácia v géne kódujúcom AIRE vedie ku vzniku komplexného autoimunitného ochorenia, nazývaného skratkou APECED. Tento syndróm sa prejavuje poškodením alebo až nefunkčnosťou niekoľkých orgánov, napríklad pankreasu, štítnej žľazy, čreva alebo kože. U pacientov s APECED k nemu dochádza v dôsledku úniku autoreaktívnych T-buniek z týmusu do tela hostiteľa, čo je zapríčinené neschopnosťou medulárnych epiteliálnych buniek syntetizovať autoantigény, na ktorých sa autoreaktívne T-bunky negatívne selektujú. Ako modelový príklad môže poslúžiť jav nedávno pozorovaný v našom laboratóriu. Jedná sa o defensiny, proteíny produkované v črevných Panethových bunkách, kde ich tvorba a antimikrobiálny účinok zabezpečujú vhodné podmienky pre život kmeňových buniek čreva, potrebných pre obnovu črevnej sliznice a zároveň udržujú vhodné zloženie črevnej mikroflóry. U pacientov s APECED, kde sa defensínovo autoreaktívne T-bunky neodstránia z obehu, dochádza k napadnutiu Panethových buniek a ich postupnej degradácii (obr. 3). Tým sa mení aj zloženie črevnej mikroflóry a vzniku hnačkového ochorenia. Zároveň sa môžu vyskytnúť poruchy prijímania potravy, kmeňové bunky nie sú dostatočne chránené, črevný epitel sa horšie obnovuje, príjem živín môže byť obmedzený. Rozdiel medzi črevom zdravého človeka a črevom pacienta s APECED je možné vidieť na obr. 3. Našťastie je onemocnenie typu APECED v našich zemepisných šírkach relatívne vzácne.

T-bunky schopné rozpoznať telu vlastné antigény a útočiť na vlastné bunky sú teda z týmusu eliminované. Nie všetky sú však poslané na smrť. Niektoré z autoreaktívnych a teda nebezpečných buniek sú pomocou interakcie s medulárnymi epiteliálnymi bunkami funkčne zmenené do takej miery, že sa z nich stanú naši najväčší spojenci schopní blokovať autoimunitné reakcie (obr. 2, spodná časť). Tieto T-regulačné bunky (T-reg), po svojom vyplavení z týmusu, sú stále schopné rozpoznať špecifický autoantigén asociovaný s MHC na povrchu fagocytu, ale ich genetický program je nanovo nastavený tak, že v okolí T-reg bunky sa vytvorí prostredie, potláčajúce spustenie autoimunitnej reakcie proti danému autoantigénu. Aj keď takáto transformácia autoreaktívnych T-buniek na autotolerantné T-reg zdanlivo spadá do kategórie „imunitných kúziel“ a ohromila aj samotných imunológov, objasnenie jej mechanizmu je v súčasnosti predmetom intenzívneho štúdia. Analogická situácia z reálneho života, keď polícia presvedčí skúseného bankového lupiča, aby sa sám stal policajným expertom na lúpeže dokazuje, že imunitný systém je veľmi vynachádzavý a že heslo „účel svätí prostriedky“ mu pre naše zdravie a úžitok nie je cudzie.

Úspešne absolvovať maturačný program v týmuse sa podarí iba T-bunkám, ktoré sú schopné primerane reagovať s MHC a zároveň nie sú autoreaktívne. Takto dômyselne prepracovaný imunitný systém je pripravený aj na neznámu infekčnú nákazu, pretože má vo svojom arzenále T-bunky schopné aktívnej obrany a je zbavený nebezpečných autoreaktívnych T-buniek. Je však nutné poznamenať, že ani tento systém nefunguje stopercentne a preto k svojej regulácii využíva aj iné účinné spôsoby. Jedným z nich je regulácia imunitnej odpovede pomocou mechanizmov periférnej tolerancie. Tie sú v princípe založené nie len na už spomínaných T-reg bunkách ale, ako sa zdá, hlavne na zvláštnych typoch stromálnych buniek prítomných v lymfatických uzlinách a iných periférnych orgánoch. Podobne ako medulárne epiteliálne bunky v týmuse, stromálne bunky produkujú veľké množstvo telu vlastných proteínov a po kontakte s autoreaktívnou bunkou ju eliminujú. Analýzou tohto málo preštudovaného systému sa v súčasnosti podrobne zaoberá aj naše laboratórium.

Náš imunitný systém je teda stále plný záhad. Interakcie medzi molekulami a bunkami, ktoré tento systém tvoria, ako aj zložitosť týchto interakcií predstavuje prototyp biologickej komplexnosti, ktorý musia vedci rozkódovať a pochopiť. Doterajšie výsledky jasne dokumentujú, že k dokonalosti obranného systému potrebujeme prítomnosť jej obidvoch protikladných aspektov, imunity a tolerancie, vzájomne funkčne prepojených, ako Jin a Jang. Ak sa ich rovnováha naruší, imunita a tolerancia sa môžu vymknúť vzájomnej kontrole a prejsť do autoimunity alebo tolerancie k vlastným nádorovým bunkám. Na druhej strane, pochopenie mechanizmov, ktoré túto rovnováhu regulujú, nám z klinického hľadiska ponúka možnosť intenzívnejšie využívať moderné transplantačné technológie, navrhovať účinnejšie vakcíny a pozitívne ovplyvňovať imunitné mechanizmy spojené s procesom starnutia. Zdá sa, že z pohľadu chápania fungovania imunitného systému ako celku sme stále len na začiatku dlhej cesty.

Poďakovanie: tento príspevok je výsledkom práce podporovanej Grantovou agentúrou ČR na projektoch P302/12//2273 a P302/12/6101 a Grantovou agentúrou Karlovej Univerzity (GAUK) č.408211.

Literatura

1. Mathis D., Benoist C.: Aire. Annual Review Immunology 27, 287–312, 2009.

2. Klein L., Hinterberger M., Wirnsberger G., Kyewski B.: Antigen presentation in the thymus for positive selection and central tolerance induction. Nature Review Immunology 9, 833–44, 2009/12.

3. Metzger T. C., Anderson M. S.: Control of central and peripheral tolerance by Aire, Immunological Review 241, 89–103, 2011/1.

Soubory

článek ve formátu pdf: 201304_224-227.pdf (446 kB)

Diskuse

Žádné příspěvky