Кумар В Основи патології за Роббінсом

К о ЬЬіпб ВА5ІС РАТНОЮСУ ОСНОВИ ПАТОЛОГІЇ за Роббінсом КоЬЬіпз РАТНОЮСУ Т ЕN Т Н ЕР ІТ І О N Уіпау Китаг, МВВ5, М О , РКСРаїН АІІсе Но§§е апс) А гіИ и г А. Ваег ОізІіпдиізНесі Зегуісе Ргоґеззог ВіоІо§ісаІ $сіепсе5 О іу із іо п апсі ТЬе Р гіігке г Месіісаі БсИооІ У піуегзіїу оі' СНіса§о СНіса§о, ІІІіпоіз АЬиІ К. АЬЬаз, МВВ$ ОізїіпдиізНесі Ргоїеззог апсі СИаіг О е р а гіт е п і о ї РаіНоІо§у У піуегзіїу Саігїогпіа, 5ап Ргапсізсо 5ап Ргапсізсо, Саігїогпіа ]оп С. А$1:ег, МО, РИО Ргс^еззог оґ РаІІпоІо§у Вгі§Ьат апсі У У о те п ’з Нозріїаі апсі Нагуагсі Месіісаі БсИооІ Возіоп, МаззасЬизеШ АКТІ5Т ]а т е $ А. Регкіпз, М5, МРА ЕЬ8ЕУІЕК РаіИоІо§у основи ПАТОЛОГІЇ за Роббінсом " П е р е к л а д 1 0 - г о а н г л ій с ь к о г о в и д а н н я У 2 ТОМАХ Том 1 Віней Кумар, бакалавр медицини і бакалавр хірургії, доктор медицини, член Королівської колегії патологів НАУКОВІ РЕДАКТОРИ ПЕРЕКЛАДУ: Почесний професор патології (за Еліс Хогг і Артуром А. Ваєром) Підрозділ біологічних наук і Медична школа ім. Пріцкера Чиказький університет Чикаго, Іллінойс Ірина Сорокіна Доктор медичних наук, професор, дійсний член Міжнародної академії патології Сергій Гичка Доктор медичних наук, професор, дійсний член Міжнародної академії патології Ігор Давиденко Доктор медичних наук, професор, дійсний член Міжнародної академії патології РЕКОМЕНДОВАНО А соціацією патологоанатомів України Абул К. Аббас, бакалавр медицини і бакалавр хірургії Почесний професор, завідувач Факультет патології Каліфорнійський університет у Сан-Франциско Сан-Франциско, Каліфорнія Д ж он К. Астер, доктор медицини, доктор філософії Професор патології Бригамська жіноча лікарня і Гарвардська медична школа Бостон, Массачусетс для лікарів-практиків, науковців, а також студентів і лікарів-інтернів з метою худож ник поглибленого вивчення патоморф ології Д ж е й м с П е р кін с, м агістр наук, м агістр м истец тв Київ ВСВ «Медицина» 2019 УДК [616-091+616-092.18](075.8) ББК 52.5я73 К88 Рекомендовано Асоціацією патологоанатомів України для лікарів-практиків, науковців, а також студентів і лікарів-інт ернів з метою поглибленого вивчення патоморфології (протокол №1 від 28 вересня 2018 року) Усі права захищені. Жодна частина цього видання не може відтворюватися чи передаватися у будь-якій формі або будь-якими засобами, електронними чи механічними, включно з фотокопіюванням, записуванням, або будь-якою іншою системою зберігання та відтворення інформації без письмового дозволу правовласника. Книга «Основи патології за Роббінсом» та окремі напрацювання, що містяться в ній, захищені авторським правом. За погодженням із правовласником це видання виходить друком у двох окремих томах. У першому томі подано 1 —10 розділи, у другому — 11 —24 розділи. Перші 10 розділів десятого видання книги Вінея Кумара, Абула К. Аббаса, Джона К. Астера «Основи патології за Роббінсом» о п у б л і к о в а н о з а у г о д о ю з к о м п а н і є ю Е із є у і є г І п с . ТЬів есІШоп о£ сЬарїегз 1 1о 10 £гот КоЬЬіпз Вазіс Раі1юІо§у, 10"' есііііоп Ьу Уіпау Китаг, АЬиІ К. АЬЬаз, апсі |оп С. Азіег із риЬІізЬесІ Ьу аггап§ешепІ \уііЬ Е із є у іє г Іпс. За здійснений переклад відповідає тільки ТОВ «Всеукраїнське спеціалізоване видавництво «Медицина». Лікарі-практики й дослідники повинні завжди спиратися на власний досвід і знання під час оцінювання та використання будь-якої інформації, методів, лікарських засобів або експериментів, описаних у цьому виданні. Зокрема, з огляду на швидкий розвиток медичної науки, слід проводити незалежну перевірку діагнозів і дозування лікарських засобів. Згідно із законодавством, Е із є у іє г , автори, співавтори, редактори не відповідають за виконання перекладу або за будь-які тілесні ушкодження та/ або шкоду, заподіяну людям чи майну, в межах відповідальності за якість продукції, недбалість тощо або через використання чи застосування будь-яких методів, продукції, інструкцій або ідей, що містяться в цьому виданні. ТЬе Ігапзіагіоп Ьаз Ьееп ипгїегіакеп Ьу АІХ-ІЖКАШІА1Ч 5РЕСІАІЛ2ЕО МЕОІСШЕ РІІВЬІЗНШС ЦГО. аі ііз зоїе гезропзіЬіНіу. РгасїШопегз апсі гезеагсЬегз гливі аітоауз геїу оп ГЇіеіг о\\'п ехрегіепсе апсі кгкж'іесі^е іп еуа1иаІіп§ апсі изіп§ апу іп£огтаііоп, теіЬосіз, сошроипсіз ог ехрегітепіз сіезсгіЬесі Ьегеіп. Весаизе о( гарісі асіуапсез іп іЬе тесіісаі зсіепсез, іп рагіісиїаг, іпсіерепсіепі: уегШсаііоп ої Ла^позез апсі с1ги§ с1оза§ез зЬоиШ Ье т а сіє. То іЬе {иііезі ехіепі ої іЬе 1о \у , по гезропзіЬіНіу із аззитесі Ьу Е із є у і є г , аиіЬогз, есіііогз ог сопігіЬиіогз іп геїаііоп Іо Йіе Ігапзіаііоп ог Гог апу іп)игу апсі/ог сіата^е іо регзопз ог ргорсгіу аз а таііег о£ ргосіисіз ІіаЬіІііу, пе§1і§епсе ог оЙтепуізе, ог їго т апу изе ог орегаїіоп о£ апу теіЬосІз, ргосіисіз, іпзігисііопз, ог ісіеаз сопіаіпесі іп іЬе таїегіаіз Ьегеіп. Кумар В. К88 О с н о в и п атології за Р оббінсом : пер. 10-го англ. вид. : у 2 т. Т. 1 / Віней К умар, Абул К. Аббас, Джон К. Астер. ; наук. ред. пер. проф.: І. Сорокіна, С. Гичка, І. Давиденко. — К. : ВСВ «Медицина», 2019. - XII, 420 с. І5ВМ 978-617-505-724-7 (укр., вид. у 2 т.) 18 В N 978-617-505-725-4 (укр., т. 1) 15ВИ 978-0-323-35317-5 (англ.) Книга «Основи патології за Роббінсом» належить до перевіреної часом англомовної серії медичних видань Роббінса і Котрана. В її підготовці брала участь професійна команда редакторів, що гарантує глибоке розуміння найважливіших понять патології. З використанням численних ілюстрацій наведено стислий огляд основних принципів патології людини, що ідеально відповідає сучасним потребам студентів. Десяте видання повністю перероблено, основну увагу приділено патогенезу і клінічній картині захворювань. Клінічні теми розширено й оновлено. До ілюстративного матеріалу додано нові малюнки та схеми для унаочнення основних патологічних процесів. Завдяки сучасним програмам матеріал проілюстровано якісними мікрофотографіями, зображеннями макропрепаратів і рентгенівськими знімками. Для зручності основну інформацію оформлено у вигляді окремих блоків із маркованими списками. По всьому тексту виділено відомості про патогенез, морфологію та патофізіологію. Для студентів медичних закладів вищої освіти, лікарів-інтернів, лікарів-практиків. УДК [616-091+616-092.18](075.8) ББК 52.5я73 ІЗВИ 978-617-505-724-7 (укр., вид. у 2 т.) ІЗВИ 978-617-505-725-4 (укр., т. 1) І5ВИ 978-0-323-35317-5 (англ.) © 2018 Ьу Е із є у іє г Іпс. А11 гі§Ьіз гезегуесі. © ВСВ «Медицина», переклад українською, 2019 ПРИСВЯТА Присвячується нашим онукам Кірі, Ніхілу та Каві і нашим дітям Джонатану та Реані Аббас і Майклу та Меган Астер Співавтори Ентоні Чанг, доктор медицини Професор Факультет патології Чиказький університет Чикаго, Іллінойс Алія Н. Хусейн, бакалавр медицини і бакалавр хірургії Професор Факультет патології Чиказький університет Чикаго, Іллінойс Аора Хедрік Елленсон, доктор медицини Професор, завідувач відділення гінекологічної патології Факультет патології та лабораторної медицини Медичний центр Вейла Корнелла Пресвітеріанська лікарня Нью-Йорка Нью-Йорк, Нью-Йорк Джонатан І. Епштейн, доктор медицини Професор Факультети патології, урології та онкології Лікарня Джонса Хопкінса Балтімор, Меріленд Карен М. Франк, доктор медицини, доктор філософії, дипломований фахівець (Американська рада медичної мікробіології) Начальник мікробіологічної служби Факультет лабораторної медицини Клінічний центр Національного інституту охорони здоров'я Бетесда, Меріленд Метью П. Фрош, доктор медицини, доктор філософії Ад'юнкт-професор за кваліфікацією Лоренса Дж. Хендерсона Факультет патології М ассачусетська лікарня загального профілю та Гарвардська медична школа Бостон, Массачусетс Ендрю Горвай, доктор медицини, доктор філософії Клінічний професор Факультет патології Каліфорнійський університет у Сан-Франциско Сан-Франциско, Каліфорнія Золтан Г. Ласік, доктор медицини, доктор філософії Професор патології Каліфорнійський університет у Сан-Франциско Сан-Франциско, Каліфорнія Александер Дж . Лазар, доктор медицини, доктор філософії Професор Факультети патології, геномної медицини та трансляційної молекулярної патології Онкологічний центр Андерсона Техаського університету Х'юстон, Техас Сьюзан С. Лестер, доктор медицини, доктор філософії Ад'юнкт-професор і начальник відділення патологій грудної залози Факультет патології Гарвардська медична школа Бригамська жіноча лікарня Бостон, Массачусетс Марк у. Аінген, доктор хірургічної стоматології, доктор філософії, член Королівської колегії патологів Професор Факультет патології Чиказький університет Чикаго, Іллінойс Тамара А. Аотан, доктор медицини Ад'юнкт-професор патології Лікарня Джонса Хопкінса Балтімор, Меріленд У переліку співавторів наведені імена як першого, так і другого томів видання (примітка перекладача). Співавтори Анірбан Маітра, бакалавр медицини і бакалавр хірургії Професор Факультети патології та трансляційної молекулярної патології Онкологічний центр Андерсона Техаського університету Х'юстон, Техас Александер Дж. МакАдам, доктор медицини, доктор філософії Ад'юнкт-професор патології Факультет патології Гарвардська медична школа Директор із медичних питань Лабораторія клінічної мікробіології Бостонська дитяча лікарня Бостон, Массачусетс Рінард Н. Мітчелл, доктор медицини, доктор філософії Професор патології за кваліфікацією Лоренса Дж. Хендерсона Член професорсько-викладацького складу факультету технічних і медико-санітарних дисциплін Г арварду/Массачусетського технологічного інституту Факультет патології Бригамська жіноча лікарня Гарвардська медична школа Бостон, Массачусетс Пітер Пітель, доктор медицини Професор Факультет патології Чиказький університет Чикаго, Іллінойс Н іл Д. Тейс, доктор медицини Професор Факультет патології Ш кола медицини Ікана М едичного центру М аунт-Сінай Нью-Йорк, Нью-Йорк Джерролд Р. Тернер, доктор медицини, доктор філософії Факультети патології та медицини Бригамська жіноча лікарня Гарвардська медична школа Бостон, Массачусетс уіі Клінічні консультанти Гарольд Дж. Бурштейн, доктор медицини Інститут раку Д ейни-Ф арбера і Гарвардська медична школа Бостон, Массачусетс Захворювання грудної залози Д ж ойс Лю , доктор медицини, магістр охорони здоров'я Інститут раку Д ейни-Ф арбера і Гарвардська медична школа Бостон, Массачусетс Хвороби жіночої репродуктивної системи Ваня Дуглас, доктор медицини Каліфорнійський університет у Сан-Франциско Сан-Франциско, Каліфорнія Захворювання центральної нервової системи Гіларі Дж. Голдберг, доктор медицини Бригамська жіноча лікарня і Гарвардська медична школа Бостон, Массачусетс Захворювання легень Грем МакМагон, доктор медицини, магістр теоретичної медицини Бригамська жіноча лікарня і Гарвардська медична школа Бостон, Массачусетс Захворювання ендокринної системи Меєон Парк, доктор медицини Іра Ханан, доктор медицини Каліфорнійський університет у Сан-Франциско Сан-Франциско, Каліфорнія Захворювання нирок Чиказький університет Чикаго, Іллінойс Захворювання травного тракту Анна Е. Разерфорд, доктор медицини, магістр охорони здоров'я Кеденс Кім, доктор медицини Асоціація урологів Філадельфія, Пенсильванія Хвороби чоловічої репродуктивної системи Бригамська жіноча лікарня і Гарвардська медична школа Бостон, Массачусетс Захворювання печінки Метью Дж . Соррентіно, доктор медицини Енн ЛаКейс, доктор медицини Інститут раку Д ейни-Ф арбера і Гарвардська медична школа Бостон, Массачусетс Захворювання кровотворної та лімф оїдної систем Чиказький університет Чикаго, Іллінойс Захворювання кровоносних судин і хвороби серця Передмова Десяте видання — важлива віха в житті книги. Ця подія є гарною нагодою, щоб озирнутися на витоки підруч ника «Основи патології» і проаналізувати їх, цитуючи передмову Стенлі Роббінса до першого видання (1971): «На прикладі книг, так само як і серед людей, можна простежити, що більш масивні одиниці містять менші, які «намагаються» виокремитися, у певному сенсі це видання має таке саме відношення до його фундамен тального попередника - «Патології Роббінса». Книга є наслідком розуміння сучасної дилеми медичної осві ти. Оскільки навчальну програму перероблено так, щоб акцентувати увагу на клінічному досвіді, час для читання відповідно скоротився... При написанні цієї книги випадки рідкісної патоло гії вилучено, а нечасті або тривіальні - описано стисло. Однак ми вважали за необхідне досить докладно роз глянути основні хвороби людини». Хоча цілі «дитини Роббінса» відповідають баченню Стенлі Роббінса, це видання було переглянуте на осно ві кількох додаткових принципів. • По-перше, очевидно, що розуміння механізмів захворювання більше спирається на міцну основу фундаментальної науки. Згідно з цим ми завжди обговорювали відповідну клітинну та молекулярну біологію під час опису морфології в різних главах. У цьому виданні ми йдемо на один крок далі й пред ставимо нову главу під назвою «Клітина як одини ця здоров'я і хвороби» на початку книги. У ній ми намагалися описати аспекти клітинної та молеку лярної біології, які, на нашу думку, є корисними для підготовки читачів до обговорення конкретних захворювань. Це, по суті, курс перепідготовки у клі тинній біології. • По-друге, як викладачі, ми добре усвідомлюємо, що студенти-медики відчувають перевантаженість через швидке збільшення обсягу інформації про молекулярні основи захворювання. Тому ми виклю чили ті нові «прориви» в лабораторній науці, які ще не дійшли до клініки. Наприклад, препарати, спрямовані на мутації ракових клітин, які ще пере бувають на стадії клінічних випробувань, не обго ворювалися, окрім тих рідкісних випадків, коли докази ефективності вже близько. Під час опису генетично неоднорідних розладів ми зосередилися на найпоширеніших мутаціях, не перераховуючи всі пов'язані з ними гени та поліморфізми. У такий спосіб ми намагалися збалансувати дискусії щодо прогресу в науці й потреби студентів на ранніх стадіях своєї кар'єри. Це вимагало, щоб ми читали кожну главу так, наче це було написано йе попо, і в багатьох випадках видалили частини тексту, наявні в попередньому виданні. Сподіваємося, що ці зміни «розвантажать» студентів і що десяте видання роз глядатиметься як оновлена, але проста для розумін ня книга. • По-третє, оскільки ілюстрації полегшують розумін ня складних концепцій, зокрема таких, як контроль клітинного циклу та дія онкогенів, вони були пере глянуті й поліпшені шляхом додавання глибини, тому чотирикольорові рисунки можна побачити у трьох вимірах. • Нарешті, ми включили групу клінічних консуль тантів, які допомагали нам точно передати клінічну частину тексту й оновити її. Як додатковий «інструмент», що допоможе студен там зосередитися на фундаментальних принципах, ми продовжили традицію використання резюме, призна чених для стислого викладення ключової інформації. Вони були збережені, незважаючи на те що до книги додалася певна кількість сторінок, оскільки студенти одностайно заявили, що вважають їх корисними. Попри те що ми вступили в геномну епоху, переві рені часом інструменти макро- і мікроскопічного ана лізу залишаються затребуваними, а морфологічні змі ни було виділено для зручності посилання. Висвітлено клініко-патологічні кореляції та вплив молекулярної патології на практику медицини. Ми раді, що все це було зроблено без значного «погладшання» книги. Ми й надалі твердо віримо в те, що чіткість викла ду думок і правильне використання мови поліпшують розуміння та полегшують процес навчання. Ті, хто знайомий із попередніми виданнями, помітять значну реорганізацію тексту в багатьох главах, щоб поліпши ти виклад інформації і зробити його більш логічним. Ми зараз живемо в часи цифрових технологій, тому текст буде доступний в мережі Інтернет. Окрім того, буде описано понад 100 оновлених клінічних випадків, розроблених одним із нас (В.К.); вони пов'язані з елект ронною версією тексту. Сподіваємося, що розгляд цих інтерактивних клінічних випадків допоможе у вивчен ні патології захворювань людини*. Ми маємо привілей редагувати цю книгу й від чуваємо велику довіру до нас студентів і викладачів основ патології. Усвідомлюємо свою відповідальність і сподіваємось, що ця книга стане гідним внеском у зібрання попередніх видань і, можливо, посилить їхні традиції. * Усі згадки про можливість використання електронних ресурсів, як правило, стосуються англійського оригіналу (примітка перекладача). І Подяка Будь-які великі зусилля у створенні книги не можуть бути здійснені без допомоги багатьох людей. Ми дякуємо всім, хто зробив свій внесок у написання різних глав. Багато хто з них є ветеранами «старшого брата» цього тексту - «Великого Роббінса», і вони пере лічені у змісті. Кожному з них - особлива подяка. Також ми дуже вдячні нашим клінічним консультантам за їхній внесок; вони зазначені окремо після імен авторів. Нам пощастило продовжувати співпрацю із Джимом Перкінсом, чиї ілюстрації дають життя абстрактним ідеям і прояснюють складні поняття, і ми вітаємо чле нів нашої клінічної консультативної ради, які читали різні глави задля уточнення клінічної частини тексту; вони перелічені на окремій сторінці. Наші помічники Трін Ну і Тельма Райт із Чикаго, Ана Нарвез із СанФранциско і Мюріел Гута з Бостона - заслуговують подяки за координацію завдань. Багато колег розширили текст, додаючи корисну інформацію у своїй галузі. До них належить доктор Рік Астер, який навів «останні новини» у галузі науки про кліматичні зміни. Інші автори запропонували аналіз різних глав; це доктори Джеррі Тернер, Джеремі Сігал, Ніколь Кіпріані, а також Алекс Галлан із Чиказького університету. Алекс Галлан одноосібно переглянув і оновив понад 100 клінічних випадків, доступних у мережі Інтернет. Інші надали нам цікаві фото зі своїх особистих колекцій; вони індивідуально зазначені в коментарях до своїх ілюстрацій. Ми перепрошуємо за будь-які непередбачені недогляди. Багато хто зі співробітників Е і з є у і є г заслуговують визнання за їхню роль у створенні цієї книги. Цьому тексту «пощастило», тому що він побував у руках Ребекки Ґрюліов (директора з розроблення змісту) - нашого партнера у кількох виданнях. Інші, хто заслуговує на х нашу вдячність, - Білл Шмітт, виконавчий контентстратег, - наш друг і учасник кількох останніх видань. Після виходу на заслужений відпочинок він передав обов'язки Джимові Меррітту, який раніше працював над текстами з імунології, написаними одним із нас (А.К.А.). Джим Меррітт - професіонал високого рівня і легко перейняв естафету. Особливо вдячні всій виробничій групі, зокрема Клею Бреєкеру, спеціалісту з видання книг, за те, що витерпів наші іноді майже неможливі вимоги й забаганки в періоди крайнього виснаження, що негативно впливає на всіх авторів, які беруться за завдання, що здається нескінченним. Ми вдячні всій команді Е із є у і є г за те, що розділили нашу пристрасть до досконалості, - Карен Джакомуччі, Браяну Солсбері, Тіму Сантнеру, Крістін МакКерхер і Меліссі Дарлінг. Дякуємо також численним студентам і викладачам з усього світу, які піднімали питання про точність змісту й фактично були остаточними «редакторами». Це надало нам упевненості, що вони ретельно прочитали книгу. Такі проекти - тягар для сімей авторів. Вдячні близьким за розуміння нашої відсутності, як фізичної, так і емоційної. Нас надихали і давали сил їхні підтримка, любов і переконання, що докладені зусилля не були марними. Особливо вдячні нашим дружинам Раміндер Кумар, Енн Аббас і Ерін Мелоун, які продов жують нас підтримувати. І нарешті, ми, редактори, вітаємо один одного; наше партнерство процвітає завдяки спільному розумінню передового досвіду в навчанні, незважаючи на відмін ності в думках та індивідуальних стилях. В.К. А.К.А. Дж.К.А. Зміст ГЛАВА 1. Клітина як одиниця здоров’я і хвор оби 1 Річард Н. Мітчелл ГЛАВА 2, У ш код ж ення клітини, загибель клітини та адаптація 31 ГЛАВА 3. Запалення і репарація 59 ГЛАВА 4. Розлади гемодинаміки, тром боем болія та ш о к 101 ГЛАВА 5. Захворювання ім унної системи 125 ГЛАВА 6. П ухлини 195 ГЛАВА 7. Генетичні та дитячі захворювання 253 Анірбан Маітра ГЛАВА 8. ГЛАВА 9. Х в о р о б и , пов’язані із впливом навколиш нього середовищ а та поруш енням харчування 309 Загальна патологія інф екційних хвор об 351 Александер Дж. МакАдам, Карен М. Франк ГЛАВА 10. К ровоносні судини 373 Річард Н. Мітчелл П редметний п о ка ж чи к 413 Глави, автори яких не вказані у змісті, написані титульними редакторами книги. хі Г Л А В А Клітина як одиниця здоров’я і хвороби основний ЗМІСТ Геном 1 Біосинтетичний апарат: ендоплазматичний Некодувальна ДНК 1 Організація гістона З ретикулум та апарат Гольджі Утилізація відходів: лізосоми і МікроРНК і довга некодувальна РНК «Домаш нє господарство» клітини протеасоми 4 6 Плазматична мембрана: захист і засвоєння поживних речовин Цитоскелет Міжклітинна взаємодія Ф а кто ри росту і рецептори Компоненти позаклітинного матриксу Проліферація та клітинний цикл Шляхи проведення сигналу П ат ологія дослівно перекладається як «наука про страждання» (від грец. раіоз - страждання, Іо§оз - наука), але в сучасній медицині цей термін вживають у значен ні «наука про закономірності розвитку захворювання». Р. Вірхов, звичайно, вірно стверджував, що захворюван ня виникає на клітинному рівні, але тепер ми розуміємо, що клітинні розлади зумовлені змінами молекул (генів, білків та ін.), які впливають на виживання і поведінку клітин. Таким чином, в основі сучасної патології лежить розуміння клітинних і молекулярних аномалій, що спричинюють захворювання. Корисним буде розгляну ти ці відхилення в контексті нормальної структури та функції клітини, що і є предметом цієї глави. Нереально (й навіть небажано) втискувати вели чезний і дуже цікавий розділ клітинної біології в одну главу. Отже, замість того щоб намагатися провести всеосяжний огляд, метою викладення матеріалу слугу ватиме вивчення основних принципів та висвітлення останніх досягнень, що стосуються механізмів захворю вання, на яких наголошено в іншій частині книги. ГЕНОМ Послідовність геному людини на початку XXI ст. стала знаковим досягненням біомедичної науки. З тих пір швидке зниження вартості визначення послідовності геному й обчислювальні можливості аналізу величезної кількості даних обіцяє революціонізувати наше уяв лення про здоров'я і хвороби. Водночас нова інформа ція також виявила вражаючий рівень складності далеко за межами лінійної послідовності геному. Здатність цих нових потужних інструментів розширювати наше 16 20 21 Підтримання популяцій клітин 16 Стовбурові клітини 19 19 П озаклітинний матрикс Сигнальна система клітини 12 Фактори транскрипції 15 Активація клітин 8 11 Модульні сигнальні білки, хаби та вузли 13 Клітинний метаболізм і функції м ітохондрій 12 23 25 25 27 17 розуміння патогенезу й розроблення лікувальних інно вацій збуджують та надихають учених і громадськість рівною мірою. Некодувальна Д Н К У геномі людини міститься близько 3,2 млн пар основ ДНК. Проте кількість генів, які кодують білок, стано вить приблизно 20 тис., тобто лише 1,5 % геному. Білки, кодовані цими генами, є основними складниками клі тин, які функціонують як ферменти, структурні еле менти і сигнальні молекули. Хоча 20 тис. - це занижена фактична кількість закодованих білків (багато генів продукують декілька транєкриптів РНК, які кодують визначені ізоформи білків), проте все-таки вражає те, що хробаки, які складаються з менш ніж 1000 клітин із геномом у ЗО разів меншим, також містять приблизно 20 тис. генів, які кодують білки. Можливо, ще більше вражає те, що переважна частина цих білків є впізна ними гомологами молекул, наявними в людини. Що ж тоді відрізняє людину від хробаків? Відповідь на це запитання не повністю відома, але докази підтверджують постулат, що відмінність полягає в 98,5 % геному людини, який не кодує білки. Функція довгих ділянок ДНК (які також називали «темна мате рія» геному) була таємничою протягом багатьох років. Однак тепер ясно, що понад 85 % геному людини врештірешт піддаються транскрипції, майже 80 % регулюють експресію генів. Звідси випливає, що хоча білки забез печують формування будівельних блоків і механізмів, необхідних для функціонування клітин, тканин та орга нізмів, саме некодувальні ділянки геному відповідальні за дуже важливе «архітектурне планування». ГЛАВА 1 Клітина як одиниця здоров’я і хвороби Гетерохроматин Еухроматин Гетерохроматин Еухроматин (конденсований, неактивний) (дисперсний, активний) Нуклеосоми Транскрипція Пре п РомотеР Екзон Екзон Енхансер Екзон МікроРНК I Інтрон Зрощення Інтрон Плече Р Інтрон І МікроРНК Теломери З'-нетрансльовані 5'-нетрансльовані ^ ------------------------------------- 1 З'-нетрс ділянки В|ДкРита ^ д уКд нкИТУВаННЯ Д|лянки Центромера Хромосома Трансляція Білок Рис. 1.1. О р га н із а ц ія я д е р н о ї Д Н К . На мікроскопічному рівні ядерний генетичний матеріал організований у дисперсний, транскрипційно активний еухроматин або конденсований, транскрипційно неактивний гетерохроматин: хроматин також може бути механічно зв’язаний із ядер ною мембраною, і тому зміни останньої можуть впливати на транскрипцію. Хромосоми можна візуалізувати за допомогою світлової мікроскопії лише в процесі поділу клітини. Під час мітозу вони організовані в пару хроматид, що з’єднуються у центромерах; центромери є локусом для фор мування кінетохорного білкового комплексу, який регулює сегрегацію хромосом у метафазі. Теломери - це повторювані нуклеотидні послідовності, що замикають кінці хроматид й уможливлюють повторну реплікацію хромосом без втрати Д Н К на кінцях хромосом. Хроматиди організовані в короткі плечі «Р» (від англ. реґііе - маленький) і довгі плечі «О» (наступна буква в алфавіті). Характерний малюнок смуг хроматиди зумовлений відносним умістом гетерохроматину (менший його вміст у смугах порівняно із міжсмуговою ділянкою), а гени прагнуть локалізуватися у між смугових ділянках. Окремі волокна хроматину складаються із нитки нуклеосом, намотаних навколо октамерів ядер гістона і з’єднаних лінкерними Д НК. Промотери - це некодувальні ділянки Д Н К, які ініціюють транскрипцію генів; вони розміщені на одній ділянці в напрямку, протилежному транскрипції асоційованого з ними гена. Енхансери є регуляторними елементами, які можуть модулювати експресію гена на відстань 100 кілобаз або більшу за допомогою повернення до початку транскрипції на промотери і набору додаткових факторів, необхідних для запуску експресії пер винної мікроРНК (пра-мікроРНК). Інтронні послідовності потім з'єднуються із попередником МікроРНК (пре-мікроРНК) й утворюють остаточне повідомлення, яке включає екзони, трансформовані у білок, а також З '- і 5'-нетрансльовані ділянки (НТД), які можуть мати функції регулювання. Окрім енхансера, промотера та послідовності НТД некодувальні елементи розміщені в усіх структурах геному; вони включають короткі повто рення, регуляторні фактори, що зв'язують ділянки, некодувальні регуляторні РНК і транспозони Основні класи функціональних послідовностей ДНК у геномі людини, які не кодують білки, включа ють (рис. 1.1): • ділянки промотера й енхансера, які зв'язують факто ри транскрипції білка; • ділянки зв'язування білків, які організовують і підтри мують структури хроматину більш високого рівня; • некодувальні регуляторні РНК. Із 80 % геному, при значеного для регуляторних функцій, переважна більшість транскрибується в РНК - мікроРНК та довгі некодувальні РНК (див. далі), які ніколи не транслюються в білок, але можуть регулювати екс пресію генів; • мобільні генетичні елементи (наприклад, транспозо ни). Примітно, що більше ніж 1/3 геному людини складається з таких «стрибаючих генів». Ці елемен ти можуть мандрувати навколо геному і залучають ся до регуляції генів й організації хроматину; • спеціальні структурні ділянки ДНК, включаючи теломери (кінці хромосом) та центромери (обмежува чі хромосом). Слід зазначити, що багато генетичних варіацій (поліморфізмів), пов'язаних із захворюваннями, роз міщені в ділянках, які не кодують білки. Таким чином, зміна генної регуляції може виявитися важливі шою в патогенезі захворювання, ніж структурні зміни специфічних білків. Ще один сюрприз, який виник із послідовності геному, полягає в тому, що будь-які дві людини зазвичай на більше ніж 99,5 % ДНК-ідентичні (і на 99 % мають ідентичну послідовність із шимпанзе)! Отже, індивідуальна варіація, включаючи диференційо вану схильність до захворювань і вплив навколишнього середовища, кодується у менше ніж 0,5 % нашої ДНК (важливо, що це становить близько 15 млн пар основ). Двома найпоширенішими формами варіації ДНК в геномі людини є однон уклеот и дн і поліморф ізміі (ОНП) та в а р іа ц ії кількост і копій (ВКК). • ОНП є варіантами в однонуклеотидних позиціях і майже завжди біалельні (існує лише два варіанти на певному сайті в межах популяції, наприклад, А або Т). Було виявлено понад 6 млн ОНП людини, при цьому їх частота в різних популяціях дуже варіює. Заслуговують на увагу такі функції: • ОНП трапляються в усіх структурах геному екзонах, інтронах, інтергенних та кодувальних ділянках; • майже 1 % ОНП розміщені в кодувальних ділян ках; цей відсоток можна було б визначити випад ково, оскільки такі ділянки становлять близько 1,5 % геному; • ОНП, розміщені в некодувальних ділянках, можуть виникати в регуляторних елементах геному, тим самим змінюючи експресію гена; у таких випадках ОНП можуть безпосередньо впливати на схильність до захворювання; Геном • ОНП також можуть бути «нейтральними» варі антами, які не впливають на функцію гена або фенотип носіїв; • навіть «нейтральні» ОНП можуть бути корисни ми маркерами, якщо вони успадковуються з асо ційованим із хворобою геном унаслідок фізичної близькості. Іншими словами, ОНП і причинний генетичний фактор перебувають у нерівноважному зчепленні; • вплив більшості ОНП на схильність до захво рювання є слабким, і залишається з'ясувати, чи можна використовувати ідентифікацію таких варіантів окремо або в комбінації для розроблен ня ефективних стратегій прогнозування та про філактики захворювань. • ВКК - форма генетичної варіації, яка складається з різної кількості великих сусідніх ділянок ДНК (від 1000 до мільйонів пар основ). У деяких випадках такі локуси, як ОНП, є біалельними і просто дублюють ся або видаляються в підгрупі населення. В інших випадках відбувається складна перебудова геномного матеріалу, причому в людській популяції міс тяться численні алелі. ВКК відповідають за кілька мільйонів пар основ різних послідовностей геному у будь-яких двох осіб. Приблизно 50 % ВКК містять кодувальні послідовності, отже, можуть зумовлю вати переважну частину фенотипового розмаїття людини. Слід зазначити, що зміни в послідовності ДНК самі по собі не можуть зумовлювати розмаїття фенотипів у людській популяції; окрім того, класичне генетичне успадкування не може пояснити різні фенотипи у монозиготних близнят. Відповіді на ці загадки, ймо вірно, полягають в епігенетиці - успадкованих змінах експресії генів, які не є наслідком змін у послідовності ДНК (див. далі). Організація гістона Незважаючи на те що майже всі клітини в організмі мають однаковий набір генів, у диференційованих клі тинах є різні структури та функції, що виникають уна слідок лінійно-специфічних програм експресії генів. Такі специфічні для типу клітини відмінності в транс крипції і трансляції ДНК регулюються епігенетичними модифікаціями, які складаються з декількох змін, що значно впливають на експресію генів, у тому числі: • О рганізац ія хром ат ину (рис. 1.2). ДНК геному упакована в нуклеосоми, які складаються зі 147 пар Ядерна ДНК (1,8 петель, близько 150 пар основ) Ядро гістона Лінкерна ДНК Лінкерна ДНК Лінкерний гістон НІ Рис. 1.2. О р га н із а ц ія х р о м а ти н у: А - нуклеосоми складаються з октамерів гістона (два з кожного підрозділу - Н2А, Н2В, НЗ і Н4), оточених петлями 1,8 із 147 пар основ Д НК; гістон Н1 розміщений на 20-80 нуклеотидних лінкерних Д Н К між нуклеосомами і допомагає стабілізувати загальну архітектуру хроматину. Субодиниці гістона позитивно заряджені, що уможливлює згортання негативно зарядженої ДН К. Б - відносний стан розкручування Д Н К (у такий спосіб - доступ до факторів транскрипції) регулюється модифікацією гістона, наприклад, шляхом ацетилювання, метилювання та/або фосфорилювання (так звані знаки). Знаки динамічно записуються і стираються, деякі з них, зокрема ацетилювання гістона, «відкривають» структуру хроматину, тоді як інші, а саме метилювання певних залишків гістона, схильні до конденсації Д Н К і призводять до посттранскрипційного сайленсингу генів. Сама Д Н К також може бути метильованою, що зумовлено інактивацією транскрипції 4 ГЛАВА 1 Клітина як одиниця здоров’я і хвороби основ, що обернуті навколо центрального ядра білків, названих гістонами. Нуклеосоми нагадують намисто, з'єднане короткими лінкерними ДНК; уся структура загалом дістала назву «хроматин». Важливо, що згортання й конденсація хроматину у будь-якій клітині варіюють у різних ділянках гено му. Отже, ядерний хроматин існує у двох основних формах (які можна візуалізувати за стандартною гістологічною методикою): (1) гістохімічно щіль ний і транскрипційно неактивний гетерохроматин і (2) гістохімічно дисперсний і транскрипційно активний еухроматин. Оскільки лише еухроматин уможливлює експресію генів і тим самим забез печує ідентичність та активність клітин, є багато механізмів, що регулюють стан хроматину (див. далі). • М ет илю вання ДНК. Високий рівень метилювання ДНК в регуляторних елементах гена зазвичай при водить до конденсації хроматину й пригнічення транскрипції (сайленсингу). Як і модифікацію гістона (див. далі), метилювання ДНК регулюють метилтрансферази, деметилювальні ферменти і метильовані ДНК-зв'язувальні білки. • М оди ф ікац ія гіст она. Нуклеосоми є високодинамічними структурами, регульованими низкою ядерних білків та посттрансляційними модифікаці ями: • комплекси ремоделювання хроматину можуть пере міщувати нуклеосоми на ДНК, розкриваючі (або закриваючі) регуляторні елементи гена, зокрема промотери; • комплекси «записування хроматину» виконують понад 70 різних ковалентних модифікацій гіс тона, загалом позначаються як мітки. До них належать метилювання, ацетилювання та фосфорилювання специфічних амінокислотних залишків гістона: гістонове метилювання лізинів й аргінінів здійснюється специфічними запису вальними ферментами; метилювання залишків лізину може привести до активації або пригні чення транскрипції, залежно від того, який зали шок гістона «помічено». Гістонове ацетилювання залишків лізину (що утворюються внаслідок дії гістонацетилтрансферази) має тенденцію до роз гортання хроматину та посилення транскрипції; гістондеацетилази розвертають цей процес у зворотному напрямку, що призводить до кон денсації хроматину. Гістонове фосфорилювання залишків серину може або розгортати, або кон денсувати хроматин, щоб, відповідно, посилити або загальмувати транскрипцію; • гістонові мітки є оборотними через активність «стирателів хроматину». Інші білки функціону ють як «читачі хроматину», що зв'язують гістони з особливими мітками і в такий спосіб регулю ють експресію генів. Механізми, пов'язані із клітинно-специфічним епігенетичним регулюванням організації геному та експресії генів, є дуже складними. Незважаючи на тонкощі, можливість маніпулювання цими процесами, швидше за все, буде значним здобутком у лікуванні хвороб, оскільки багато з них пов'язані з успадкова ними або набутими епігенетичними змінами, а пору шена регуляція «епігеному» відіграє центральну роль у розвитку доброякісних і злоякісних новоутворень (глава 6). Окрім того, на відміну від генетичних змін, епігенетичні зміни (наприклад, ацетилювання гістона та метилювання ДНК) є оборотними, отже, можуть піддаватися втручанням; дійсно, інгібітори гістонде ацетилази й інгібітори метилювання ДНК вже вико ристовують для лікування різних форм раку. МікроРНК і довга некодувальна РНК Інший механізм регуляції генів залежить від функ цій некодувальних РНК. Як випливає з назви, їх коду ють гени, які транскрибуються, але не транслюються. Хоча існує багато різних сімейств некодувальних РНК, тут розглянуто лише два приклади: невеликі молекули РНК, що називаються мікроРНК, і довгі некодувальні РНК, які містять понад 200 нуклеотидів. • М ікроРН К - відносно короткі РНК (у середньому 22 нуклеотиди), які функціонують насамперед для регулювання трансляції цільових мРНК у відповід ні білки. Посттранскрипційний сайленсинг екс пресії генів, який виконують мікроРНК, е основ ним й еволюційно консервативним механізмом регуляції генів, наявним у всіх еукаріотів (рослин і тварин). Навіть бактерії мають примітивну версію цього загального механізму, який вони викорис товують, щоб захистити себе від чужорідної ДНК (наприклад, від фагів і вірусів). • Геном людини містить майже 6000 генів мікроРНК, що лише в 3,5 раза менше від кількості генів, які кодують білки. Також окремі мікроРНК регулю ють декілька генів, які кодують білок, що дає змогу кожній мікроРНК корегулювати програми експресії генів. Унаслідок транскрипції генів мікроРНК фор мується первинний транскрипт, який поступово обробляється в менші сегменти, включаючи обрізан ня ферментом дайсер. Це зумовлює утворення зрілих одноланцюгових мікроРНК (від 21 до ЗО нуклеоти дів), що асоціюються із багатобілковим комплексом, який називається РНК-індукованим комплексом сайленсингу (КІ5С, рис. 1.3). Подальше зв'язування основ одноланцюгової мікроРНК та її мішені - мРНК спрямовує КІ5С або на індукцію розщеплення мРНК, або на пригнічення її трансляції. Отже, мРНК зазнає посттранскрипційного сайленсингу. Це можна використовувати в такий спосіб. Невеликі інтерференційні РНК (зіІУЧА) - короткі послідовності РНК, які можна вводити в клітини. Вони слугують основою для фермента дайсер і взаємодіють із ком плексом КІ5С аналогічно до ендогенних мікроРНК. Синтетичні зіКМА, які можуть спрямовувати спе цифічні види мРНК, є потужними лабораторними інструментами для вивчення функції генів («техноло гія нокдауну»); вони також перспективні як лікувальні фактори для сайленсингу патогенних генів, напри клад, онкогенів, що беруть участь у неопластичних перетвореннях. • Д о в га н екоду вал ьн а РНК (ІпсКХ'Л). Геном людини також містить дуже велику кількість ІпсІУМА - при наймні ЗО тис., причому загальна кількість потен ційно перевищує кількість кодувальних мРНК у 10-20 разів. ІпсКМА регулюють експресію генів Геном А АКТИВАЦІЯ ГЕНА Ген мікроРНК РНК-індукований комплекс сайленсингу Активація гена Первинна мікроРНК (ргі-тіРІЧА) Гени-мішені Б СУПРЕСІЯ ГЕНА Довга некодувальна РНК-пастка (ІпсРМА-пастка) Експортний білок В СПРИЯННЯ МОДИФІКАЦІЇ ХРОМАТИНУ Метилювання, ацетилювання І / мРНК-мішень Г ЗБИРАННЯ БІЛКОВИХ КОМПЛЕКСІВ Дія на структуру хроматину Розкручування дуплексу мікроРНК Недосконале Досконале сполучення мРНК- Трансляційна регресія Розщеплення мРНК Рис. 1.3. У т в о р е н н я м ік р о Р Н К т а їх н ій м е х а н із м р е гу л я ц ії ф ун кц ій ге н а . Унаслідок транскрипції генів мікроРНК утворюєть ся первинна мікроРНК (пра-мікроРНК), яка обробляється в ядрі з утворенням пре-мікроРНК, що складається з одного ланцюга РНК із вторинними петлями у вигляді шпильки, які забезпечують подовжен ня дволанцюгової РНК. Після того як пре-мікроРНК експортується з ядра за допомогою специфічних транспортних білків, цитоплаз матичний фермент дайсер обробляє пре-мікроРНК з утворенням зрілих дволанцюгових мікроРНК, які містять від 21 до ЗО нуклеотидів. МікроРНК згодом розкручується, й одержані одиничні ланцюги вводяться у багатобілковий РНК-індукований комплекс сайленсингу (К/5С). Зв’язування основ одноланцюгової мікроРНК та її мішені мРНК - спрямовує КІ5С або на індукцію розщеплення мРНК, або на пригнічення її трансляції. Таким чином, ген мРНК зазнає посттрансляційного сайленсингу Рис. 1.4. Роль д о в ги х неко д увал ьних Р Н К (Іп с ІШ А ): А ІпсКМА можуть полегшити зв’язування факторів транскрипції і в такий спосіб сприяти активації гена. Б - навпаки, ІпсКІМА можуть переважно зв'язувати фактори транскрипції і тим самим запобігати транскрипції генів. В - модифікація гістона та Д Н К ацетилазами або метилазами (або деацетилазами і деметилазами) може бути зумовлена зв'язуванням ІпсКМА. Г - в інших випадках ІпсКМА можуть виконувати роль ришту вання для стабілізації вторинних чи третинних структур та/або мультисубодиничних комплексів, які впливають на загальну архітектуру хро матину чи активність генів. (За даними К.С. \Л/ап§, Н.У. СНапд: Моїесиїаг тесЬапізтв о[Іоп§ попсосііп§ КЖ $, Мої СеІІ 43:904, 2011.) кількома способами (рис. 1.4); наприклад, вони можуть зв'язуватися з ділянками хроматину, обме жуючи доступ РНК-полімерази до кодувальних генів у межах ділянки. Найвідомішим прикладом репресивної функції є ХІ5Т, який транскрибується з Х-хромосоми і відіграє важливу роль у фізіоло гічній її інактивації. ХІ5Т сам уникає Х-інактивації, але формує репресивний «плащ» на Х-хромосомі, з якої транскрибується, призводячи до сайленсингу гена. І навпаки, було визнано, що багато енхансерів є сайтами синтезу ІпсКМА, при цьому останні роз ширюють транскрипцію промоторів гена за допо могою різних механізмів (див. рис. 1.4). Сучасні дослідження вивчають роль ІпсШЧІА у патогенезі таких захворювань, як атеросклероз і рак. Редагування генів Цікаві нові розробки, що дають змогу дуже специфіч но редагувати геном, мають усі шанси розпочати еру молекулярної революції. Джерело таких успіхів цілком ГЛАВА 1 Клітина як одиниця здоров’я і хвороби несподіване: відкриття кластерованих регулярно пере хресних коротких паліндромних повторень (СКІ5РК) та Саз (або СКІЗРК-асоційованих генів). Це зв'язані генетичні елементи, які наділяють прокаріоти чимось подібним до набутого імунітету до фагів і плазмід. Бактерії використовують таку систему для збирання зразків ДНК інфекційних агентів, включивши її в геном хазяїна у формі СКІ5РК. Останні транскрибуються і вбудовуються у послідовність РНК, яка зв'язує і направ ляє нуклеазу Саз9 на інші послідовності (наприклад, Гомологічна послідовність нРНК Дволанцюгова ДНК Цільова послідовність геному / \ фаг), що призводить до їх розщеплення та руйнування фага. Редагування генів переорієнтовує цей процес, використовуючи штучні напрямні РНК (нРНК, §КМА), що зв'язують Саз9 і є комплементарними послідовності ДНК, яка становить інтерес. Після того як нРНК визна чила напрямок дії, Саз9 індукує дволанцюгові розриви ДНК. Відновлення отриманих високоспеціалізованих ділянок розщеплення може призвести до відносно випадкових руйнівних мутацій у цільових послідов ностях (через неоднорідне кінцеве приєднання) або точного введення нових послідовностей, що становлять інтерес (за допомогою гомологічної рекомбінації). Як нРНК, так і нуклеазу Саз9 можна доставити до клітин за допомогою однієї плазміди, яку легко побудувати (рис. 1.5). Проте справжня краса системи (її захоплюю чий генноінженерний потенціал) пов'язана з її вража ючою гнучкістю та специфічністю, що значно краще, ніж інші попередні системи редагування. Застосування передбачає введення специфічних мутацій у геноми клітин для моделювання ракових та інших захворю вань і швидкого розвитку трансгенних тварин із відре дагованих ембріональних стовбурових клітин. З іншо го боку, зараз є можливість вибірково «виправляти» мутації, які спричиняють спадкову хворобу або, ймо вірно, - просто усунути менш «бажані» ознаки. Цілком прогнозовано, що ця технологія зумовила активну дис кусію щодо її застосування. Розрив дволанцюгової ДНК / Неоднорідне кінцеве приєднання \ «ДОМАШНЄ ГОСПОДАРСТВО» КЛІТИНИ Гомологічна рекомбінація ДНК Вставка/ видалення Донорська ДНК ДНК з випадковою мутацією ДНК зі специфічною мутацією Рис. 1.5. Р е д а гу в а н н я ге н а із кл а с те р о в а н и м и р егу л я р н о п ер е х р е с н и м и к о р о т к и м и п а л ін д р о м н и м и п о в то р е н н я м и (С К І5 Р К )/С а х 9 . У бактеріях послідовності Д Н К, що складаються із СВ.І5РК, транскрибуються в напрямні РНК (нРНК) із постійною ділян кою і змінною послідовністю із приблизно 20 основ. Постійні ділянки нРНК зв’язуються із Са59, що дає змогу змінним ділянкам утворювати гетеродуплекси з гомологічними послідовностями Д Н К клітинихазяїна. Нуклеаза Саз9 потім розщеплює зв’язану Д Н К, зумовлюючи дволанцюговий розрив Д Н К. Для редагування гена нРНК мають варі абельні ділянки, які є гомологічними до цільової послідовності Д НК. Коекспресія нРНК та Саз9 у клітинах призводить до ефективного розщеплення цільової послідовності. За відсутності гомологічної Д Н К розірвана Д Н К відновлюється шляхом неоднорідного кінцевого при єднання (НКП) - методу, який часто застосовується при помилках і нерідко здійснює руйнівні вставки або видалення (інделі). І навпаки, за наявності гомологічної «донорської» Д Н К, що охоплює ділянку, орієнтовану СКІ5РК/Са$9, клітини замість цього можуть використо вувати гомологічну рекомбінацію Д Н К (ГРД) для відновлення розриву ДН К. ГРД менш ефективна, ніж НКП, але здатна вносити точні зміни в послідовність Д Н К. Потенційне застосування СКІ$РК/Са59 у поєд нанні з ГРД передбачає відновлення спадкових генетичних дефектів й утворення патогенних мутацій Життєздатність і нормальна активність клітин зале жать від різних фундаментальних функцій ведення «домашнього господарства», які мають виконувати всі диференційовані клітини. Багато нормальних функцій ведення «домашнього господарства» розподіляються між зв'язаними з мемб ранами внутрішньоклітинними органелами (рис. 1.6). Оскільки клітини у різних компартментах мають певні функції, потенційно шкідливі деструктивні ферменти чи реакційні метаболіти можуть нагромаджуватися або збе рігатися у високих концентраціях у специфічних органелах, без ризику ураження інших елементів клітини. Окрім того, компартменталізація дає змогу створювати унікальні внутрішньоклітинні середовища (наприклад, низький рН або високий уміст Са2+), які є оптимальними для певних ферментів чи шляхів метаболізму. Нові білки, призначені для плазматичної мембрани або секреції, синтезуються в шорсткому ендоплазма тичному ретикулумі (ЕР), а збирання їх відбувається в апараті Гольджі; білки цитозолю продукуються на вільних рибосомах. Кількість гладкого ендоплазматично го ретикулуму може бути надлишковою у певних типах клітин, таких як статеві клітини й гепатоцити, де він слугує місцем синтезу стероїдних гормонів і ліпопротеїдів, а також зоною модифікації гідрофобних сполук, зокрема лікарських засобів, у водорозчинні молекули для виведення з організму. У клітинах відбувається катаболізм численних молекул, захоплених шляхом ендоцитозу, а також влас них білків й-органел - усі вони постійно деградують та «Домашнє господарство» клітини Внутрішньоклітинні елементи гепатоцита ~ Органели Загальний ,, ооєм Цитозоль Мітохондрії Шорсткий ЕР Гладкий ЕР Ядро Ендосоми Лізосоми Пероксисоми Кількість у . к л іт и н і 54% 22% 9% 6% 6% 1% 1% 1% 1700 І* 1* 200 300 400 Апарат Гольджі _ Роль у к л і т и н і ' Метаболізм, транспорт, трансляція білка Вироблення енергії, апоптоз Синтез мембранних та секретованих білків Модифікація, сортування, катаболізм білків Регуляція, проліферація клітин, транскрипція ДНК Внутрішньоклітинний транспорт та експорт, поглинання позаклітинних речовин Клітинний катаболізм Метаболізм довголанцюгових жирних кислот Вільні Шорсткий ендоплазмарибосоми тичний ретикулум Ядерце Лізосома Мітохондрія Ендосома Цитоскелет Плазматична мембрана Гладкий ендоплазматичний ретикулум Пероксисома Центріолі Мікротрубочки Рис. 1.6. О сно вні в н утр іш н ь о кл іти н н і о р га н е л и . У таблиці представлено кількість різних органел та їх загальний об’єм у гепатоциті. На рисунку показані географічні зв’язки, не призначені для точного масштабування. ' Ш орсткий та гладкий ендоплазматичний ретикулум утворюють єдиний сектор; апарат Гольджі організований як комплекс окремих ущільнених цистерн, з’єднаних між собою транспортними везикулами. (За даними ЕЯ. УУ’єіЬеІ, УУ. ЗіаиЬІІ, НЯ. Спа§і еі аі: Соггеїаіе(і тогрНотеігіс апсі ЬіосНетісаІ $ІисІІЄ5 оп їїіе ііуєг сеІІ. І. МогрЬотєиіс тосіеі, зіегеоіофс теїНосІв, апсі погтаї тогрНотеґгіс сіаіа [ог гаї І/'уег, ] СеІІ ВіоІ 42:68, 1969.) оновлюються. Розщеплення цих компонентів здійсню ють три елементи, які по суті виконують різні функції: • протеасоми - комплекси, які можуть бути утилізо вані; вони зумовлюють деградацію денатурованих або інакше «позначених» білків цитозолю і вивіль няють короткі пептиди. У деяких випадках пептиди, утворені в такий спосіб, входять до складу основних молекул головного комплексу гістосумісності (МНС) І класу, які допомагають керувати адаптивною імун ною відповіддю (глава 5). В інших випадках протеасомна деградація регуляторних білків або факторів транскрипції може активувати чи гальмувати шляхи сигналізації клітин; • лізосоми - внутрішньоклітинні органели, які містять ферменти, що перетравлюють широкий спектр макромолекул, включаючи білки, полісахариди, ліпіди та нуклеїнові кислоти. За допомогою лізосом руйнуються і видаляються фагоцитовані мікроби й ушкоджені чи небажані органели; • пероксисоми - спеціалізовані внутрішньоклітинні органели, що містять каталазу, пероксидазу та інші окисні ферменти. Вони відіграють особливу роль у розщепленні довгих ланцюгів жирних кислот, уна слідок чого утворюється водню пероксид. Кількість і розміщення органел також підлягають регулюванню. Ендосомальні везикули доставляють мате ріал, який опинився усередині клітини, до відповідних внутрішньоклітинних ділянок або спрямовують новосинтезовані компоненти до клітинної оболонки чи цільових органел. Рух як органел, так і білків усередині клітини, а також самої клітини в її середовищі забез печує цитоскелет; він також регулює форму клітини та внутрішньоклітинну організацію, які необхідні для підтримання полярності клітини. Це особливо важливо в епітелії, в якому верхній ([апікальний), а також нижній та бічний (базолатеральні) домени клітини часто зазна ють впливу різних середовищ і мають відмінні функції. ГЛАВА 1 Клітина як одиниця здоров’я і хвороби Більша кількість аденозинтрифосфату (АТФ), що дає енергію клітинам, виробляється шляхом окис ного фосфорилювання в мітохондріях. Також вони слугують важливим джерелом проміжних продуктів метаболізму, необхідних для анаболічного обміну, є ділянками синтезу деяких макромолекул (наприклад, гема) і містять важливі сенсори ушкодження клітин, які можуть ініціювати й регулювати процес апоптозу запрограмованої загибелі клітин. Ріст та підтримання життєдіяльності клітин потребу ють постійного постачання як енергії, так і будівельних блоків, необхідних для синтезу макромолекул. У клітині, яка росте й ділиться, усі ці органели мають бути скопійо вані (біогенез органел) і правильно розподілені в дочірніх клітинах після мітозу. З урахуванням того що макромо лекули та органели мають обмежену тривалість життя (мітохондрії, наприклад, живуть лише близько 10 днів), також мають існувати механізми, які уможливлюють виявлення і деградацію «зношених» елементів клітини. Остаточний катаболізм відбувається в лізосомах. Ця інформація буде основою для детальнішого обговорення елементів клітин та їхніх функцій, до чого ми зараз перейдемо. Плазматична мембрана: захист і засвоєння поживних речовин Плазматичні мембрани (і всі інші мембрани орга нел) - це більше ніж просто статичні ліпідні оболонки. За структурою вони є рідкими подвійними шарами з амфіпатичних фосфоліпідів і гідрофільних кінцевих груп, які контактують із водним середовищем та гідро фобними ліпідними залишками, що взаємодіють один з одним, створюючи бар'єр для пасивної дифузії вели ких або заряджених молекул (рис. 1.7, А). Подвійний шар складається з гетерогенного набору різних фос фоліпідів, які розподіляються асиметрично; напри клад, деякі ліпіди мембрани переважно розміщені на зовнішній або внутрішній поверхні. Асиметричне розмежування фосфоліпідів має важливе значення у кількох клітинних процесах: • фосфатидилінозитол на внутрішній поверхні мемб рани може бути фосфорильованим, слугуючи елек тростатичним каркасом для внутрішньоклітинних білків; альтернативно, поліфосфоінозитиди можуть бути гідролізовані фосфоліпазою С для одержання внутрішньоклітинних вторинних сигналів, таких як діацилгліцерин та інозитолтрифосфат; • фосфатидилсерин зазвичай обмежений внутріш ньою поверхнею, де забезпечує негативний заряд і бере участь в електростатичній взаємодії з білками; але якщо він переміщається на зовнішню поверхню, що відбувається в клітинах, які зазнають апоптозу, це стає сигналом «з'їж мене» для фагоцитів. В особ ливих випадках він слугує кофактором тромбоцитів при згортанні крові; • гліколіпіди та сфінгомієлін переважно експресуються на зовнішній поверхні; гліколіпіди (особливо гангліозиди, які мають складні глікозидні зв'язки та кінцеві сіалові кислоти, що зумовлюють негатив ний заряд) важливі у взаємодії клітина-клітина й клітина-позаклітинний матрикс (ПКМ), включаю чи мобілізацію клітин при запаленні та взаємодію сперми і яйцеклітини. Певні компоненти мембрани розміщені латерально один до одного у подвійному шарі, що призводить до утворення доменів, які називають ліпідними рафтами. Оскільки вставлені мембранні білки мають різну роз чинність у різних ліпідних доменах, вони накопичу ються в певних ділянках мембрани (наприклад, рафтах) і видаляються з інших. Такий невипадковий розподіл ліпідів та мембранних білків впливає на взаємодію клі тина-клітина й клітина-ПКМ, а також внутрішньоклі тинні сигнали і формування спеціалізованих ділянок мембран, задіяних у секреції або ендоцитозі. Плазматична мембрана має вільно розміщені біл ки та глікопротеїди, які беруть участь у (1) транспор ті йонів і метаболітів, (2) рідкофазовому й рецептор-опосередкованому поглинанні макромолекул, (3) взаємодії клітина-ліганд, клітина-ПКМ, кліти на-клітина. Взаємодія білків із ліпідним подвійним шаром відбувається за допомогою одного із чотирьох загальних механізмів (рис. 1.7, Б): • Більшість білків є трансмембранними (інтегральни ми), що мають один або декілька відносно гідрофоб них а-спіральних сегментів, які перетинають ліпід ний подвійний шар. Інтегральні білки зазвичай містять позитивно заряджені амінокислоти у цито плазматичних доменах, які прикріпляють білки до негативно заряджених основних груп мембранних фосфоліпідів. • Білки можуть бути синтезовані в цитозолі й посттрансляційно приєднані до простетичних груп (наприклад, фарнезил, зв'язаний із холестерином) або за допомогою жирних кислот (наприклад, паль мітинової або міристинової кислоти), розміщених на внутрішній поверхні плазматичної мембрани. • Приєднання до плазматичної мембрани може від буватися за допомогою якорів із глікозилфосфатидилінозитолу (ГФІ) на зовнішній її поверхні. • Позаклітинні білки можуть нековалентно зв'я зуватись із трансмембранними білками, які забез печують прикріплення їх до клітини. Багато білків плазматичної мембрани функціо нують як великі комплекси; вони можуть збирати ся під контролем молекул шаперона у шорсткому ендоплазматичному ретикулумі або шляхом бічної дифузії у плазматичній мембрані. Останній меха нізм характерний для багатьох білкових рецепторів (наприклад, рецепторів цитокінів), які димеризуються або тримеризуються за наявності ліганда і формують функціональні одиниці сигналізації. Незважаючи на те що ліпідний подвійний шар є рідинною структурою у двовимірній площині мембрани, її компоненти всетаки можуть бути прив'язані до дискретних доменів. Це може відбуватися за рахунок локалізації у ліпід них рафтах (як описано вище) або через міжклітинні білково-білкові взаємодії (наприклад, при щільних з'єднаннях), які визначають дискретні межі; дійсно, така стратегія використовується для підтримання поляр ності клітин (наприклад, верхівковий/апікальний домен проти нижнього/базолатерального) в епітелії. Альтернативно, унікальні домени можуть бути сфор мовані внаслідок взаємодії мембранних білків із моле кулами цитоскелета або ПКМ. Зовнішня поверхня плазматичної мембрани дифуз но утикана вуглеводами, не тільки складними олігоса- «Домашнє господарство» клітини Позаклітинний білок Зовнішня поверхня Білок, зв'язаний із фосфатидилінозитолом Гліколіпіди Фосфатидилхолін Сфінгомієлін (переважно (переважно зовнішній) зовнішній) Фосфатидилетаноламін (переважно внутрішній) Фосфатидилсерин (переважно внутрішній) Ліпідний рафт Фосфатидил- Холестерин інозитол (обидві (обидві поверхні) поверхні) Трансмембранний білок Цитоплазма Б Білок, зв'язаний із ліпідом Цитозольний білок Рис. 1.7. О р га н із а ц ія т а аси м етрія п л а зм а ти ч н о ї м ем б р а н и : А - плазматична мембрана - подвійний шар фосфоліпідів, холестерину та зв'язаних із ними білків. Розподіл фосфоліпідів усередині мембрани асиметричний; фосфатидилхолін і сфінгомієлін переважно містяться на зовнішній поверхні, а фосфатидилсерин (негативний заряд) і фосфатидилетаноламін - на внутрішній; гліколіпіди локалізуються лише на зовнішній поверхні, де вони сприяють утворенню глікокаліксу. Невипадковий розподіл деяких компонентів мембран, таких як холестерин, утворює мемб ранні домени, відомі як ліпідні рафти. Б - білки, асоційовані з мембраною, можуть перетинати мембрану (одноразово або багаторазово) через а-спіральну гідрофобну послідовність амінокислот; залежно від послідовності й гідрофобності цього домена такі білки можуть накопичуватися або виключатися із ліпідних рафтів та інших мембранних доменів. Білки на внутрішній поверхні можуть з’єднуватися з мембранами через посттрансляційні модифікації, наприклад, фарнезилювання або приєднання пальмітинової кислоти. Білки на зовнішній поверхні можуть з’єднуватися з мембраною за допомогою якорів глікозилфосфатидилінозитолу. О крім міжбілкових взаємодій мембранні білки також можуть зв’язуватися з поза клітинними та/або цитоплазматичними білками для утворення великих, відносно стабільних комплексів (наприклад, комплексу фокальної адгезії). Трансмембранні білки можуть передавати механічні сили (наприклад, із цитоскелета або ПКМ), а також хімічні сигнали через мембрану. Слід пам’ятати, що подібна організація ліпідів і зв’язаних із ними білків також відбувається у мембранах різних органел харидами на глікопротеїдах і гліколіпідах, а й полісахаридними ланцюгами, приєднаними до інтегральних протеогліканів. Цей глікокалікс функціонує як хімічний та механічний бар'єр, а також бере участь у взаємодії клітина-клітина і клітина-ПКМ. П асивна мембранна дифузія Невеликі неполярні молекули, такі як 0 2 та СО„ лег ко розчиняються в ліпідному подвійному шарі й швидко дифундують через нього, так само як і гідро фобні молекули (наприклад, молекули на основі сте роїдів - естрадіол або вітамін О), у такий спосіб малі (масою < 75 Да) полярні молекули, зокрема вода, ета нол і сечовина, легко перетинають мембрани. Водночас ліпідний подвійний шар є ефективним бар'єром для проходження більших полярних молекул, маса яких трохи перевищує 75 Да (наприклад, глюкози). Також зазначені двошарові структури не пропускають йони, незалежно від того, наскільки вони малі, через їх заряд і високий ступінь гідратації. Далі ми обговорюватиме мо спеціалізовані механізми, що регулюють рух через плазматичну мембрану. Н о сії та канали Для кожної із великих полярних молекул, які перети нають плазматичну мембрану для підтримання нор мальних функцій клітини (наприклад, для поглинан ня поживних речовин й утилізації відходів), зазвичай потрібні унікальні білкові комплекси. Для речовин із невеликою молекулярною масою (йонів і малих моле кул приблизно до 1000 Да) можуть використовуватися канальні білки та білки-носії (хоча в цій частині глави описуються плазматичні мембрани, слід зазначити, що подібні пори та канали необхідні й для транспорту молекул через мембрани органел). Кожна транспорто вана молекула (зокрема йон, складні цукри, нуклеотид) потребує транспортера, який зазвичай є високоспецифічним (наприклад, глюкоза, але не галактоза): • канальні білки утворюють гідрофільні пори, від криття яких уможливлює швидкий рух розчинених речовин (зазвичай обмежених за розміром і заря дом; рис. 1.8); • білки-носії зв'язують специфічні розчинені речо вини і проходять низку конформаційних змін для перенесення ліганда через мембрану; їх транспорт відносно повільний. У багатьох випадках концентрація і/або електрич ний градієнт між внутрішньою та зовнішньою поверх нями клітини уможливлюють потрапляння розчине них речовин шляхом пасивного транспорту (майже всі плазматичні мембрани мають різницю електричного потенціалу, причому внутрішній є негативним від носно зовнішнього). В інших випадках активний транспорт деяких розчинених речовин проти граді єнта концентрації здійснюється білками-носіями (а не каналами) із використанням енергії, що виділяється при гідролізі АТФ, або зв'язаного йонного градієнта. Транспортні АТФази включають горезвісний протеїн мультирезистентності, який «викачує» полярні спо- 9 ГЛАВА 1 Клітина як одиниця здоров'я і хвороби Носій Канал Ендоцитоз Екзоцитоз Фагоцитоз Транцитоз Рис. 1.8. Т р а н с п о р т д р іб н и х м олекул і в е л и ки х с тр у к т у р ч е р е з м е м б р а н и . Ліпідний подвійний шар відносно непроникний для всіх, окрім найменших і/або найбільш гідрофобних молекул. Отже, для введення або виведення заряджених молекул необхідні специфічні трансмемб ранні транспортні білки; інтерналізація або екстерналізація великих білків, складних частинок або навіть клітин потребує оточення їх сегментами мембрани. Малі заряджені молекули можуть проникати через мембрану, використовуючи канали або носії; взагалі, кожній молекулі потрібен унікальний транспортер. Канали використовують, коли градієнти концентрації можуть призвести до руху розчину. Носії необхідні, коли розчин переміщується проти градієнта концентрації. Рецептор-опосередковане і рідинно-фазове поглинання матеріалу здійснюється за допомогою мембранозв’язаних везикул. Кавеоли поглинають позаклітинну рідину, мембранні білки та деякі молекули, зв’язані з рецептором (наприклад, фолати) у процесі, керованому білками кавеоліну, що сконцентрований у ліпідних рафтах. Піноцитоз позаклітинної рідини та більшості поверхневих пар рецептор-ліганд передбачає утворення ямок, вкритих клатрином, та везикул. Після інтерналізації клатрин дисоціює і може бути використаний повторно, тоді як везикула поступово дозріває й окиснюється. У ранній та/або пізній ендосомі ліганд може бути вивільнений із його рецептора (наприклад, залізо, виділене із трансферину, зв'язаного з рецептором трансферину) унаслідок спрямування рецептора на інший цикл на клітин ній оболонці. Альтернативно, рецептор та ліганд усередині ендосом можуть бути націлені на злиття з лізосомами (наприклад, епідермальним фактором росту, зв’язаним з його рецептором); після повної деградації везикула із кінцевою ендосомою-лізосомою може відтворювати лізосо ми. Фагоцитоз передбачає неклатрин-опосередковану інвагінацію великих ділянок мембрани, зазвичай спеціалізованими фагоцитами (напри клад, макрофагами або нейтрофілами). Утворені фагосоми зливаються з лізосомами і сприяють деградації захопленого матеріалу. Трансцитоз передбачає транспорт розчиненого та/або зв’язаного ліганда з одного домена клітини на інший. Екзоцитоз - це процес, за допомогою якого мембранозв'язані везикули зливаються із плазматичною мембраною і вивільняють свій уміст у позаклітинний простір луки (зокрема хіміотерапевтичні лікарські засоби) із клітин і може зробити ракові клітини резистентними до лікування. Оскільки вода вільно проходить через мембрани, вона переміщується в клітину та із неї за допомогою осмосу залежно від відносної концентрації розчину. Отже, надлишок позаклітинних солей порівняно з умістом їх у цитозолі (гіпертонічність) зумовлює рух води із клітини, тоді як гіпотонічність, навпаки, - рух води в клітину. Цитозоль багатий на заряджені мета боліти та різновиди білків, які залучають велику кіль кість протийонів, що мають тенденцію до збільшення внутрішньоклітинної осмолярності. Для запобігання надмірній гідрації клітини необхідне постійне відка чування невеликих неорганічних йонів (наприклад, № +), як правило, за допомогою мембранних йонообмінних АТФаз. Втрата здатності виробляти енергію (наприклад, у клітині, ушкодженій токсинами чи іше мією) призводить до осмотичного набряку і можли вого розриву клітини. Подібні механізми транспорту також регулюють рН усередині клітини та її органел; більшість цитозольних ферментів найкраще функціо нують при рН 7,4, тоді як лізосомальні ферменти при рН 5,0 або менше. Рецептор-опосередковане і гомогенне поглинання Поглинання рідини або макромолекул клітиною, яке називають ендоцитозом, забезпечують два основні меха нізми (див. рис. 1.8). Окремі дрібні молекули, вклю чаючи деякі вітаміни, захоплюються за допомогою інвагінацій плазматичної мембрани - кавеол. Більші молекули поглинаються після зв'язування з певними рецепторами на поверхні клітини; інтерналізація від бувається шляхом інвагінації мембрани, керованої білком клатрином. Клатрин - це гексамер білків, який спонтанно збирається у корзиноподібній решітці для керування процесом інвагінації. Ми повернемося до нього пізніше. «Домашнє господарство» клітини Процес, за допомогою якого великі молекули екс портуються із клітин, називають екзоцитозом. У ньому беруть участь білки, синтезовані й зібрані у шорсткому ЕР та апараті Гольджі, скупчені в секреторних везику лах, які потім зливаються із плазматичною мембраною і вивільняють свій уміст у позаклітинний простір. Трансцитоз - рух ендоцитозних везикул між апі кальними та базолатеральними доменами клітин; це механізм транспорту великої кількості інтактних білків через епітеліальний бар'єр (наприклад, уведення анти тіл, що містяться у грудному молоці, через кишковий епітелій) або швидкого руху великих об'ємів розчине них речовин. Посилений трансцитоз, ймовірно, віді грає важливу роль у підвищенні проникності судин, що спостерігається при виникненні пухлин. Тепер ми повернемося до двох форм ендоцитозу, згаданих раніше. • О посередковат ш кавеолам и ендоцнт оз. Кавеоли («маленькі печери») - незакриті інвагінації плазма тичної мембрани, поєднані з ГФІ-зв'язаними моле кулами, циклічними аденозинмонофосфат (цАМФ)зв'язаними білками, кіназами сімейства 5КС (див. далі) і рецептором фолату. Кавеолін є основним структурним білком кавеол. Інтерналізація кавеол із будь-якими зв'язаними молекулами та позаклітин ною рідиною дістала назву потоцитоз (буквально «клітинне потягування»). Хоча кавеоли, ймовірно, беруть участь у трансмембранному транспорті дея ких молекул (наприклад, фолатів), є думка, що вони також сприяють регуляції трансмембранних сигна лів і/або адгезії клітин через інтерналізацію рецеп торів й інтегринів. Мутації в кавеоліні зумовлені м'язовою дистрофією та порушенням електричної діяльності серця. • Піноцит оз т а рецепт ор-ои о сер ед к о в а ний ендоцит оз (див. рис. 1.8). Піноцитоз («клітинне пиття») процес рідинної фази. Плазматична мембрана інвагінує і стискається, утворюючи цитоплазматич ну везикулу після транспорту рідини; ендоцитозні везикули повертаються на плазматичну мембра ну (екзоцитоз) для подальшого функціонування. Ендоцитоз та екзоцитоз є збалансованими і висо коактивними, оскільки клітина зазвичай поглинає від 10 до 20 % власного об'єму кожну годину або приблизно від 1 до 2 % плазматичної мембрани кожну хвилину. Піноцитоз та рецептор-опоєередкований ендоцитоз починаються з утворення ямки, вкритої клатрином, що містить ліганд, який має бути інтерналізованим (сам по собі або зв'язаний із рецептором); ямка швидко інвагінує і закривається, утворюючи везикулу. Таким чином, у пастці всере дині везикули знаходиться «ковток» ПМК, а також зв'язані з рецептором макромолекули, як описа но далі. Потім везикули швидко розкриваються і зливаються із внутрішньоклітинною структурою з кислим середовищем - ранньою ендосомою, яка посту пово дозріває до пізньої ендосоми і, врешті-решт, зливається з лізосомами. потім піддаються ендоцитозу у везикулах, які дозрівають у ранні й пізні ендосоми. У кислому середовищі ендо соми ЛПНГ і трансферин вивільняють зв'язані ліганди (холестерин і залізо відповідно), які потім виходять у цитозоль, а ЛПНГ-рецептор і трансфериновий рецеп тор повертаються до плазматичної мембрани. Дефекти рецептор-опоєередкованого транспорту ЛПНГ відповіда ють за сімейну гіперхолестеринемію, як описано в главі 7. Цитоскелет Здатність клітин набувати певної форми, підтри мувати полярність, організовувати внутрішньоклі тинні органели і рухатися залежить від внутрішньо клітинного каркаса, який називають цит оскелет ом (рис. 1.9). Еукаріотичні клітини містять три основні класи білків цитоскелета: • М ікроф іламент и акт ину - фібрили діаметром 5-9 нм, утворені із глобулярного білка актину (С-актин); це найпоширеніший цитозольний білок у клітинах. С-актинові мономери нековалентно полімеризуються у довгі нитки (Р-актин), які перепліта ються, утворюючи дволанцюгові спіралі, у м'язових клітинах філаментний білок міозин зв'язується з актином і рухається вздовж нього внаслідок гідролізу АТФ (основа скорочення м'язів). У нем'язових кліти нах Р-актин збирається за допомогою різноманітних білків, що зв'язують актин, у добре організовані пуч ки й сітки, які контролюють форму клітини та її рух. • П ром іж ні ф іламент и - фібрили діаметром 10 нм, які утворюють велике й неоднорідне сімейство. Індивідуальні типи проміжних філаментів мають характерні для певних тканин специфічні законо мірності експресії, корисні для ідентифікації похо дження низькодиференційованих пухлин: Мікроворсинки Щільне з'єднання Мікрофіламенти актину Оперізувальна десмосома Якірне з'єднання (десмосома) З'єднання проміжків Проміжні філаменти Гемідесмосома Базальна мембрана Рецептор-опосередкований ендоцитоз є основним меха нізмом поглинання деяких макромолекул, наприклад, трансферину і ліпопротеіДів низької густини (ЛПНГ). Ці макромолекули зв'язуються зі специфічними рецеп торами, які локалізуються в ямках, вкритих клатрином, а Інтегрини Рис. 1.9. Е л ем енти ц и то с ке л е та та м іж к л іт и н н а взаєм одія. Д о міжепітеліальної адгезії залучаються кілька типів міжклітинних з'єднань, у тому числі щільні з'єднання та десмосоми; адгезія до поза клітинного матриксу здійснюється за допомогою інтегринів (і відпо відних білків) у межах гемідесмосом (пояснення у тексті) 11 ГЛАВА 1 Клітина як одиниця здоров’я і хвороби • ламіни А, В і С: формують структуру ядерної мемб рани; • віментин: мезенхімальні клітини (фібробласти, ендо телій), що фіксують внутрішньоклітинні органели; • десмін: м'язові клітини, що утворюють каркас, на якому скорочуються актин і міозин; • нейрофіламенти: аксони нейронів, що надають силу та жорсткість; • гліальний фібрилярний кислотний білок: клітини глії, що підтримують нейрони; • цитокератини: епітеліальні клітини експресують понад ЗО їх різновидів із різними видами експресії в різноманітних тканинах (наприклад, легеневий та шлунково-кишковий епітелій). Вони можуть слу гувати гістохімічними маркерами для різних типів епітелію. Проміжні філаменти переважно мають канатоподібну полімеризовану форму і насамперед забезпечу ють міцність на розрив, даючи можливість клітинам витримувати механічне навантаження. Ламіни ядерної мембрани зумовлюють не тільки підтримання мор фології ядра й регулювання транскрипції генів. Про їх важливу роль свідчать рідкісні розлади, спричине ні мутаціями ламінів, які варіюють від певних форм м'язової дистрофії до прогерії - передчасного старіння. Проміжні філаменти також утворюють основні струк турні білки епідермісу й волосся. • М ікрот рубочки - фібрили завтовшки 25 нм, що скла даються з нековалентно полімеризованих димерів а- і [3-тубуліну, розміщених у порожнистих трубках із визначеною полярністю, які постійно витягуються або стискаються; їх кінці позначають як «+» або «-». Кінцева частина «-» зазвичай вставляється в центр організації мікротрубочок (ЦОМ, або центросома) біля ядра, де зв'язується з парними центріолями, тоді як «+» подовжується або відділяється у відповідь на різноманітні стимули шляхом приєднання чи від щеплення димерів тубуліну. Мікротрубочки беруть участь у таких важливих функціях клітини, як: • підтримування «молекулярних моторних» білків, які уможливлюють рух везикул та органел у клі тинах. Кінезини є двигунами для антероградного (від «-» до «+») транспорту, тоді як динеїни забез печують зворотний напрямок (від «+» до «-»); • механічна підтримка розходження сестринських хроматид під час мітозу; • ядро первинних війок (єдині нерухомі проекції на клітини з ядром, які допомагають регулювати проліферацію та диференціацію); • ядро рухливих війок (наприклад, у бронховому епітелії) або джгутиків (у спермі). Міжклітинна взаємодія Клітини взаємодіють одна з одною, формуючи з'єднання, я кі забезпечують механічні зв'язки і дають змогу поверхневим рецепторам розпізнавати ліганди на інших клітинах. Міжклітинні з'єднання організовані за трьома основними типами (рис. 1.9): • Замикальні з'єднання (щільні з'єднання) фіксують сусідні клітини, щоб сформувати безперервний бар'єр, який обмежує міжклітинний рух йонів та інших молекул. Вони утворюють щільну сітку макро- молекулярних контактів між сусідніми клітинами. Комплекси, що забезпечують цю взаємодію, склада ються з кількох білків, вюіючаючи оклюдин і клаудин. Окрім того що замикальні з'єднання слугують дуже міцним бар'єром для транспорту розчинених речо вин, вони також підтримують полярність клітин, утворюючи межу між апікальними і базолатеральними доменами клітин. Показово, що ці з'єднання (а також описані нижче десмосоми) є динамічними структурами, які можуть дисоціювати та реформу ватися, як це потрібно для полегшення проліферації епітелію або міграції запальних клітин. • Я к ір н і з'єднання (десмосоми) механічно приєдну ють клітини та білки цитоскелета до інших клітин або до ПКМ. Якщо ділянка адгезії розміщена між клітинами, є малою і гвинтикоподібною, її назива ють точковою десмосомою; якщо така ділянка при кріпляє клітину до ПКМ - це гемідесмосома. Подібні ділянки адгезії також можуть мати вигляд широких смуг між клітинами, тоді їх називають оперізувальними десмосомами. Ці з'єднання клітин утворюються за допомогою гомотипової асоціації трансмембранних глікопротеїдів, які називають кадгеринами: • у точкових десмосомах кадгерини з'єднані із проміжними філаментами й уможливлюють механічну передачу (і розсіювання) позаклітин них сил у кількох клітинах; • в оперізувальних десмосомах білки трансмемб ранної адгезії з'єднуються із мікрофіламентами актину, за допомогою яких вони можуть вплива ти на форму і/або рухливість клітини; • у гемідесмосомах білки трансмембранної адгезії називають інтегринами; подібно кадгеринам, вони приєднуються до проміжних філаментів, у такий спосіб функціонально з'єднуючи цито скелет із ПКМ. Комплекси локальної адгезії являють собою великі макромолекули, що локалізуються на гемідесмосомах і містять білки, які можуть генерувати внутрішньоклітинні сигнали, якщо клітини зазнають надмірного механічного стре су, наприклад, ендотелій у кровоносному руслі або кардіоміоцити при серцевій недостатності. • Комунікаційні з'єднання (з’єднання проміжків) зумов люють передачу хімічних чи електричних сигналів від однієї клітини до іншої. З'єднання складається зі ідільної плоскої решітки з порами розміром 1,5-2 нм (так званих конексонів), утворених гексамерами транс мембранних білків конексинів. Ці пори пропускають йони, нуклеотиди, глюкозу, амінокислоти, вітаміни та інші дрібні молекули; проникність з'єднання швидко зменшується в разі зниження внутрішньоклітинного рН або підвищення внутрішньоклітинного рівня Са2+. Комунікаційні з'єднання відіграють вирішальну роль у міжклітинних зв'язках; у кардіоміоцитах, напри клад потік Са2+із клітини в клітину через ці з'єднання дає змогу міокарду функціонувати як синцитій, здат ний до скоординованих скорочень - серцебиття. Біосинтетичний апарат: ендоплазматичний ретикулум та апарат Гольджі Структурні білки й ензими клітини постійно від новлюються внаслідок балансу між постійним синтезом та внутрішньоклітинним розпадом. «Домашнє господарство» клітини Ендоплазматичний ретикулум - це місце синтезу всіх трансмембранних білків і ліпідів, необхідних для фор мування плазматичної мембрани й органел, включаю чи сам ЕР. Також він є початковою ділянкою синтезу всіх молекул, призначених для експорту з клітини. Має вигляд сітчастого лабіринту із замкнених канальців та сплющених цистерн, що утворюють суцільну безпе рервну оболонку навколо одного просвіту, яка межує із позаклітинним середовищем. ЕР складається з окремих доменів, які відрізняються наявністю або відсутністю рибосом (див. рис. 1.6). Ш орст кий ендоплазм ат ичний рет икулум . Рибо соми, прикріплені до мембрани, на цитозольній поверхні ЕР транслюють мРНК у білки, які виштовху ються в його просвіт або інтегруються в мембрану. Цим процесом керують певні сигнальні молекули на КІ-кінцях білків, що ростуть. Білки вставляються у цистерну ЕР і мають правильно збиратися, щоб набу ти функціональної форми і сформувати комплекси вищого порядку. Правильне збирання позаклітин них доменів багатьох білків передбачає утворення дисульфідних зв'язків. Низка успадкованих розладів, включаючи численні випадки сімейної гіперхолестеринемії (глава 6), є причиною мутацій, які порушують утворення дисульфідних зв'язків. Окрім того, в ЕР додаються КІ-зв'язані олігосахариди (фрагменти глю кози, приєднані до залишків аспарагіну). Молекули шаперонів зберігають білки доти, аж поки ці модифі кації не будуть завершені й утвориться відповідна форма. Якщо білок не може правильно зібратися та сформувати комплекси, він залишається і деградує в межах ЕР. Надмірне накопичення неправильно зібра них білків, що перевищує здатність ЕР відредагувати і зруйнувати їх, призводить до стресу ендоплазматич ного ретикулуму (який також називають реакцією непра вильно зібраного білка), що спричинює загибель клітин шляхом апоптозу (глава 2). Прикладом важливості регенерації ЕР є муковісцидоз, який найчастіше виникає внаслідок неправильного збирання транспортера білків - трансмембранного регулятора муковісцидозу (СРТК). Найпоширеніша мутація в гені СРТК призводить до втрати одного амі нокислотного залишку (фенілаланіну 508), що своєю чергою спричинює неправильне збирання, затримку в ЕР та деградацію протеїну СРТК. Порушення функції СРТК призводить до ненормального транспорту хло ридів, утворення надміру в'язкого бронхового секрету і рецидивних інфекцій дихальних шляхів (глава 7). Апарат Г ольдж і. Із шорсткого ЕР білки й ліпіди, призначені для інших органел або для видалення із клітини, транспортуються в апарат Гольджі. Ця органела складається із багатьох цистерн, які впоряд ковано модифікують білки від цис (поблизу ЕР) до транс (біля плазматичної мембрани); макромолекули перемішуються між різними цистернами в мембран них везикулах. Коли молекули переходять від цис до транс, ІЧ-зв'язані олігосахариди, приєднані до білків у шорсткому ЕР, обрізаються і змінюються поступово; О-зв'язані олігосахариди (фракції глюкози, зв'язані із серином або треоніном) також поєднуються. Частина продуктів такого глікозилювання важлива для транс порту молекул у лізосоми (через манозо-6-фосфатний рецептор); інші продукти глікозилювання можуть бути важливими для взаємодій клітина-клітина чи кліти на-ПКМ або для оновлення старіючих клітин (напри клад, тромбоцитів й еритроцитів). Окрім поступового глікозилювання ліпідів і білків, сітка цмс-Гольджі - це місце, де білки повертаються назад до ЕР, а сітка трансГольджі - місце, де білки й ліпіди спрямовуються до інших органел (включаючи плазматичну мембрану) або секреторних везикул, призначених для виділення за межі клітини. Апарат Гольджі особливо виражений у клітинах, спеціалізованих на секреції, у тому числі келихоподібних клітинах кишок, бронховому епітелії (продукує велику кількість слизу, багатого на поліса хариди), а також плазматичних клітинах (секретують велику кількість антитіл). Гладкий ендоплазмат ичний рет икулум у більшості клітин є відносно рідким, утворюючи перехідну зону від шорсткого ЕР для транспорту везикул, що рухають ся до апарату Гольджі. Проте в клітинах, які синтезу ють стероїдні гормони (наприклад, у статевих органах чи надниркових залозах) або здійснюють катаболізм ліпідорозчинних молекул (наприклад, у печінці), глад кий ЕР може бути особливо вираженим. Дійсно, бага торазова дія сполук, які метаболізуються у гладкому ЕР (зокрема фенобарбіталу, розщешіення якого забезпе чує система цитохрому Р450), призводить до його реак тивної гіперплазії. Також він відповідальний за виді лення внутрішньоклітинного Са2+; вихід компонентів ЕР у цитозоль може зумовлювати низку реакцій на позаклітинний сигнал. Окрім того, у м'язових клітинах спеціалізований гладкий ЕР, який називають саркоплазматичним ретикулумом, відповідає за циклічне вивіль нення та відділення Са2+, що регулюють скорочення і релаксацію м'язів відповідно. Утилізація відходів: лізосоми і протеасоми Як уже зазначалося, видалення клітинних відходів залежить від діяльності лізосом і протеасом (рис. 1.10). • Л ізосом и - це мембранні органели, що містять при близно 40 різних кислотних гідролаз (тобто фер ментів, які найкраще функціонують при рН < 5,0), включаючи протеази, нуклеази, ліпази, глікозидази, фосфатази та сульфатази. Лізосомальні фермен ти спочатку синтезуються у просвіті ЕР, а потім зв'язуються із залишком манозо-6-фосфату (М6Ф) в апараті Гольджі. Такі МбФ-модифіковані білки згодом транспортуються в лізосоми через везикули шранс-Гольджі, які експресують МбФ-рецептори. Інші макромолекули, призначені для катаболізму в лізосомах, надходять одним із трьох шляхів, описа них нижче (рис. 1.10, А): • матеріал, інтерналізований за допомогою рідкофазового піноцитозу або рецептор-опосередкованого ендоцитозу, проходить від плазматич ної мембрани до ранньої ендосоми, потім - до пізньої ендосоми, і врешті-решт - до лізосоми, стаючи все більш кислотним. Рання ендосома є першим кислим середовищем на цьому шляху, тоді як протеолітичні ферменти починають активне травлення тільки в пізній ендосомі; пізні ендосоми дозрівають у лізосоми; • старіючі органели та великі комплекси білків можуть доставлятися в лізосоми за допомогою процесу, який називають аутофагією. Унаслідок недостатньо вивчених механізмів старіючі орга- 14 ГЛАВА 1 Клітина як одиниця здоров’я і хвороби А ДЕГРАДАЦІЯ ЛІЗОСОМ Ендоцитоз Старіючі органели Фагоцитоз Денатуровані білки АУТОФАПЯ ГЕТЕРОФАГІЯ Аутофагосома Фаголізосома Екзоцитоз Б ДЕГРАДАЦІЯ ПРОТЕАСОМ цитозоль Пептидний ланцюг, що народжується Шаперони Вік, ультрафіолетові промені, тепло, реактивний кисень Нормальний V Старіючий або Множинні убіквітини АПОПТОЗ Велика кількість неправильно зібраного білка | Синтез білка ^ Синтез білка Рис. 1.10. В н у тр іш н ь о кл іти н н и й катаб ол ізм : А - деградація за допомогою лізосом. При гетерофагії (праворуч) лізосоми зливаються з ендосомами або фагосомами, щоб сприяти деградації їх умісту (див. рис. 1.8). Кінцеві продукти можуть виділятися у цитозоль для харчування або видаляються в позаклітинний простір (екзоцитоз). При аутофагії (ліворуч) старіючі органели або денатуровані білки спрямовуються на розщеплення, кероване лізосомами, шляхом оточення їх подвійною мембраною, отриманою з ендоплазматичного ретикулуму і позначеною біл ками І_СЗ (1А/1В легкий ланцюг 3, зв’язаний із мікротрубочками). Клітинні стресори, такі як дефіцит поживних речовин або певні внутрішньоклі тинні інфекції, також можуть активувати аутофагію. Б - деградація за допомогою протеасом. Цитозольні білки, призначені для обміну (наприклад, фактори транскрипції або регуляторні білки), старіючі білки або білки, які стали денатурованими через зовнішній механічний чи хімічний стрес, можуть бути позначені кількома молекулами убіквітину (через активність лігаз убіквітину Ег Е2 та Е3). Це свідчить, що вони потребують деградації протеасомами, цитозольними комплексами із багатьох субодиниць, які розщеплюють білки до дрібних пептидних фрагментів. Велика кількість неправильно зібраних білків у межах ендоплазматичного ретикулуму зумовлює захисну білкову реакцію, що спричинює значне пригнічення синтезу білка, але сприяє збільшенню кількості білків шаперонів, що може полегшити переформування білків. Якщо цього недостатньо для того, щоб переформувати неправильно зібрані білки, індукується апоптоз нели оточуються подвійною мембраною, отри маною з ЕР; мембрана поступово розширюється й утворює аутофагосому, яка потім з'єднується з лізосомами, де відбувається розпад умісту. Окрім сприяння заміні старих і нефункціонуючих елементів клітини аутофагія також забезпечує збереження життєздатності клітин у разі дефі циту поживних речовин. Значення аутофагії в клітинній біології було визнано присудженням Нобелівської премії Йошинорі Осумі за від- Клітинний метаболізм і функції мітохондрій криття механізму аутофагії в 2016 р. Це питання більш докладно розглянуто в главі 2; • фагоцитоз мікроорганізмів, або великих фраг ментів ПКМ, або відходів відбувається переваж но у професійних фагоци тах - макрофагах і ней трофілах. Матеріал поглинається для утворення фагосоми, яка згодом зливається з лізосомою. • П рот еасом и відіграють важливу роль у руйнуванні цитозольних білків (рис. 1.10, Б); до них належать денатуровані або неправильно зібрані білки (подіб ні до того, як це відбувається в межах ЕР), а також інші білки, рівні напіввиведення яких потребують жорсткого регулювання (наприклад, фактори транс крипції). Багато (але не всі) білків, призначених для знищення протеасомами, потребують ковалентно го приєднання білка убіквітину. Поліубіквітовані молекули поступово розгортаються і спрямовують ся в полімерний протеасомний комплекс - циліндр, що містить багато різних протеаз, кожна з яких має свій активний сайт, що свідчить про порожнисте ядро. Протеасоми розщеплюють білки на дрібні фрагменти (6-12 амінокислот), які згодом можуть бути деградовані до компонентів цих амінокислот та перероблені або презентовані імунним клітинам основних молекул МНС І класу, що є важливим ком понентом імунного контролю. КЛІТИННИЙ МЕТАБОЛІЗМ І ф у н кц ії МІТОХОНДРІЙ Мітохондрії утворилися із прокаріотів, поглинутих примітивними еукаріотами приблизно 1,5 млрд років тому. їх походження пояснює, чому мітохондрії містять власну ДНК (приблизно 1 % загальної ДНК клітини), яка кодує майже 1 % загальних клітинних білків і при близно 20 % білків, що беруть участь в окисному фосфорилюванні. Хоча їхні геноми невеликі, мітохондрії, тим не менше, можуть виконувати всі етапи реплікації, транскрипції та трансляції ДНК. Цікаво, що цей меха нізм схожий на такий у бактерій; зокрема мітохондрії ініціюють синтез білка з И-формілметіоніном і чутливі до антибактеріальних препаратів. Мітохондрії динамічні, оскільки постійно відбува ється їх розщеплення та злиття з іншими мітохондріями; у такий спосіб вони можуть регулярно відновлюва тися, щоб запобігти дегенеративним змінам унаслідок генетичних розладів або ураження вільними радика лами кисню. Мітохондрії швидко оновлюються, при близний період напіврозпаду - від 1 до 10 днів залежно від тканини, харчового статусу, метаболічних потреб та супутньої травми. Оскільки яйцеклітина забез печує переважну більшість цитоплазматичних орга нел заплідненій зиготі, мітохондріальна ДНК майже повністю успадковується по материнській лінії. Однак білки мітохондрій утворюються внаслідок ядерної і мітохондріальної генетичної транскрипції, тому мітохондріальні розлади можуть бути Х-зчепленими, аутосомними або успадкованими по материнській лінії. Мітохондрії забезпечують ферментативний меха нізм окисного фосфорилювання (а отже, відносно ефективне вироблення енергії із субстратів глюкози та жирних кислот). Вони також відіграють провідну роль в анаболічному метаболізмі й регулюванні апоптозу (рис. 1.11). Вироблення енергії. Кожна мітохондрія має дві окремі спеціалізовані мембрани. Внутрішня мембра- Ліпіди, білкові будівельні блоки МЕТАБОЛІТИ (глюкоза, глутамін жирні кислоти) Проміжні продукти циклу трикарбонових кислот Міжмембранний простір (синтез АТФ) СИНТЕЗ АТФ Внутрішня мембрана (білки дихального ланцюга) РЕЦЕПТОРИ АПОПТОЗУ Зовнішня мембрана Мітохондрія Комплекси ВАХ/ВАК Пермеабілізація зовнішньої мембрани мітохондрії Ядерний матрикс (ферменти циклу лимонної кислоти) Ушкодження Пори мембранної проникності ІШЕМІЯ, ТОКСИН Стабілізована апоптосома Каспазнии каскад ЗАГИБЕЛЬ КЛІТИНИ (некроз) Рис. 1 .1 1. Ф у н к ц ії м іт о х о н д р ій . Окрім ефективного утворення АТФ із вуглеводів і субстратів жирних кислот мітохондрії відіграють важливу роль у проміжному метаболізмі, слугуючи джерелом молекул, використовуваних для синтезу ліпідів і білків, а також централізовано беруть участь у прийнятті рішень щодо виживання і загибелі клітин 15 16 і ГЛАВА 1 Клітина як одиниця здоров’я і хвороби на містить ферменти дихального ланцюга, складені у кристи (гребінці). Вони оточують матричний простір ядра, який містить основну частину певних метаболіч них ферментів, таких як ферменти циклу лимонної кислоти. Зовні внутрішня мембрана - це межмембранний простір, місце синтезу АТФ, яке своєю чергою оточене зовнішньою мембраною; остання утикана пориновими білками, які утворюють водні канали, проникні для молекул малого розміру (< 5000 Да). Більші молекули (і навіть деякі менші полярні види) потребують специфічних транспортерів. Основне джерело енергії, необхідне для виконан ня клітинами їхніх функцій, забезпечується окисним метаболізмом. Мітохондрії окиснюють субстрати до СО_, а в процесі переносу електронів високої енергії від вихідної молекули (наприклад, глюкози) - до О, і Н ,0. Окиснення різних метаболітів керує протонни ми насосами, які переносять Н+ з ядерного матриксу в міжмембранний простір. Оскільки ці йони рухаються назад за своїм електрохімічним градієнтом, виділена енергія використовується для синтезу АТФ. Слід зазначити, що електронний транспортний ланцюг не завжди пов'язаний із утворенням АТФ. Отже, внутрішній мембранний білок, збагачений коричневим жиром, який називають термогеніном (або 11СР-1 - роз'єднувальним білком-1), - це протонний транспортер, що може розсіювати градієнт протона (відокремити його від окисного фосфорилювання) у вигляді тешха (безперервний термогенез). Як природ ний (хоча зазвичай низькорівневий) побічний продукт окиснення субстрату і транспорту електронів мітохон дрії також є важливим джерелом активних форм кисню (наприклад, вільних радикалів кисню, водню пероксиду); гіпоксія, токсичне ураження або навіть старіння мітохондрій можуть призвести до значного посилення внутрішньоклітинного оксидантного стресу. Проміжний метаболізм, у процесі окисного фос форилювання виробляється надлишок АТФ, але також «спалюється» глюкоза до СО, та Н20 , не залишаючи будь-яких залишків вуглецю для використання їх як будівельних блоків для ліпідів чи білків. Із цієї причи ни швидкий ріст клітини (як доброякісний, так і зло якісний) посилює поглинання глюкози та глутаміну і зменшує синтез АТФ на одну молекулу, утворюючі молочну кислоту за наявності активного кисню; це яви ще називають ефектом Варбурга (або аеробним гліколі зом). Як глюкоза, так і глутамін забезпечують вуглецеві фракції, які запускають у мітохондріях цикл трикарбонових кислот, але замість того щоб застосовувати їх для синтезу АТФ, проміжні продукти «повертаються» до утворення ліпідів, нуклеїнових кислот і білків. Залежно від стадії розвитку клітини метаболізм мітохондрій може бути модульованим для підтримання життя клі тини або її росту. Фактори росту, поживні речовини та наявність кисню, а також сигнальні шляхи клітин і сенсори, які відповідають цим екзогенним чинникам, визначають вибір шляху метаболізму. Загибель клітини. Мітохондрії схожі на відомих героїв роману Р.С. Стивенсона - доктора Джекіла і міс тера Хайда. З одного боку, вони є фабриками з вироб лення енергії у вигляді АТФ, що дає змогу клітинам вижити; з іншого боку, вони беруть участь у керуван ні загибеллю клітин, якщо клітини зазнають впливу шкідливих стимулів, до яких не можуть пристосувати ся. Роль мітохондрій у двох основних формах загибелі клітин - некрозі й апоптозі - описано в главі 2. АКТИВАЦІЯ КЛІТИН Обмін інформацією між клітинами є дуже важливим у багатоклітинних організмах. На базовому рівні позаклі тинні сигнали визначають, живе або гине клітина, неза лежно від того, перебуває вона у стані спокою чи сти мулюється до виконання певної функції. Міжклітинна сигналізація має важливе значення і для росту ембріона, підтримання організації тканин і забезпечення їх адап тивної та ефективної реакції на різні ушкодження, такі як локальна травма тканини або системна інфекція. Втрата «суспільного контролю», який підтримує нор мальний зв'язок клітин, може різними способами при зводити до нерегульованого росту (раку) або неефек тивної відповіді на зовнішній стрес (як у разі шоку). Сигнальна система клітини Кожна клітина постійно оточена вражаючою какофо нією сигналів, які мають бути «інтерпретовані» й інте гровані в реакції, корисні для організму. Деякі сигнали можуть індукувати диференціювання певного типу клітин, інші - стимулювати проліферацію або виконан ня спеціалізованої функції. Кілька сигналів, отриманих разом, можуть зумовити ще одну абсолютно унікальну відповідь. Багато клітин потребує певних сигналів, щоб продовжувати жити; за відсутності відповідних екзо генних сигналів вони гинуть унаслідок апоптозу. Джерела сигналів, на які відповідає більшість клі тин, можна розділити на кілька груп: • Патогенгі та уш кодж ен н я сусідніх клітин. Багато клітин мають природжену здатність сприймати і реагувати на ушкоджені клітини (сигнали небез пеки), а також на чужорідні тіла, зокрема мікроби. Рецептори, які генерують ці сигнали, розглядають ся у главах 3, 5. • М іжклітинні контакти, опосередковані адгезивними молекулами та/ або комунікаційними з'єднан нями. Як згадувалося раніше, сигналізація цих з'єднань здійснюється між сусідніми клітинами через гідрофільні конексони, які уможливлюють рух малих йонів (наприклад Са2+), різних метаболітів та потен ційних молекул іншого месенджера, таких як цАМФ. • В заєм од ії кліт ина-П КМ , опосередковані через інтегрини, які розглядатимуться в главі 3 у контек сті мобілізації лейкоцитів під час запалення. • С екрет ован і м олекули. Найважливіші секретовані молекули включають фактори росту, про які йти меться далі; цитокіни - посередники запалення та імунних реакцій (також обговорюються у гла вах 3, 5); гормони, які секретуються ендокринними органами і діють на різні типи клітин (глава 20). Окрім того, шляхи сигналізації можна класифіку вати за різними типами на основі просторових зв'язків між клітинами, що відправляють і приймають сигнали. • Паракринна сигналізація діє на клітини у безпосеред ній близькості. Вона може включати трансмемб ранні «відправляючі» молекули, які активують рецептори на прилеглих клітинах, або секретовані Активація клітин фактори, що дифундують лише на невелику від стань. У деяких випадках останнє досягається наяв ністю виділених факторів, щільно зв'язаних із ПКМ. • Аутокринна сигналізація виникає, коли молекули, секретовані клітиною, впливають на ту саму клітину. Це може слугувати засобом захоплення груп клітин, що проходять синхронну диференціацію під час сво го розвитку, або використовуватися для посилення (позитивний зворотний зв'язок) чи ослаблення (нега тивний зворотний зв'язок) відповіді. • Синаптична сигналізація. Активовані нейрони виді ляють нейротрансмітери у спеціалізованих з'єднан нях (синапсах) на клітинах-мішенях. • Ендокринна сигналізація. Гормон виділяється у кровотік і діє на клітини-мішені на відстані. Незалежно від природи позаклітинного подраз ника (паракринний, синаптичний або ендокрин ний) передача сигналу відбувається через специ фічний рецепт орний білок. Сигнальні молекули (ліганди) зв'язують відповідні рецептори та ініціюють каскад внутрішньоклітинних подій, кульмінацією яких є бажана клітинна відповідь. Ліганди зазвичай афінні до рецепторів і при фізіологічних концентра ціях зв'язують рецептори із високою специфічністю. Рецептори можуть розміщуватися на поверхні або все редині клітини (рис. 1.12): • Внутрішньоклітинні рецептори включають фактори транскрипції, які активуються ліпідорозчинними лігандами, що легко проходять через плазматичну мембрану. Прикладами є вітамін О та стероїдні гор мони, які активують ядерні рецептори гормону. В інших умовах невеликий і/або неполярний ліганд може дифундувати у прилеглі клітини, наприклад, оксид азоту (N 0), через який ендотеліальні клітини регулюють внутрішньосудинний тиск. N 0 утво рюється активованою ендотеліальною клітиною, а потім дифундує у прилеглі гладкі м'язові клітини судин; там він активує гуанілілциклазу, щоб генеру вати цГМФ - другий внутрішньоклітинний сигнал, що зумовлює розслаблення непосмугованих м'язів. • Поверхневі клітинні рецептори - це, як правило, транс мембранні білки з позаклітинними доменами, які зв'язують ліганди. Залежно від рецептора зв'язування ліганда може (Т) відкрити йонні канали (зазвичай на синапсі між електрично збудженими клітинами), (2) активувати ГТФ-зв'язаний регуляторний білок (протеїн С), (3) активувати ендогенний чи зв'язаний фермент, часто тирозинкіназу, або (4) зумовити протеолітичну подію чи порушення зв'язку білка або стабільності, яка активує латентний фактор транскрипції. Дії (2) та (3) пов'язані зі шляхами сиг налізації фактору росту, що керують проліферацією клітин, тоді як дія (4) є спільною ознакою багатьох пшяхів (наприклад, МоїсЬ, \\ГКПГ та Нес1§еЬо§), що регулюють нормальний розвиток. Зрозуміло, що сиг нали, які передаються поверхневими рецепторами, нерідко змінюються внаслідок порушення розвитку та при ракових захворюваннях. Шляхи проведення сигналу Зв'язування ліганда з поверхневим рецептором опосе редковує сигналізацію шляхом індукування кластери- зації рецептора (рецепторні перехресні зв'язки) або інших конформаційних змін (див. рис. 1.12). Спільною озна кою є те, що всі ці процеси змінюють фізичний стан внутрішньоклітинного рецептора, який потім ініціює додаткові біохімічні події, які зумовлюють передачу сигналу. Клітинні рецептори згруповані у декілька типів на основі механізмів сигналізації, які вони викорис товують, і внутрішньоклітинних біохімічних шля хів, які вони активують (див. рис. 1.12). Сигналізація рецепторів найчастіше приводить до утворення чи модифікації біохімічних проміжних сполук та/або активації ферментів і, врешті-решт, - до синтезу активних факторів транскрипції, які входять в ядро та змінюють експресію генів: • Рецептори, пов'язані з акт ивніст ю кіназ. Фосфорилювання, яке має низхідний характер, - це загальний шлях передачі сигналу. Зміни геометрії рецепторів можуть стимулювати активність влас них рецепторних кіназ білка або ферментативну активність залучених внутрішньоклітинних кіназ. Ці кінази приєднують заряджені залишки фосфату до цільових молекул. Тирозинкінази фосфорилюють специфічні залишки тирозину, тоді як серин/треонінкінази приєднують фосфати до різних залишків серину або треоніну, а ліпідкінази фосфорилюють ліпідні субстрати. Для кожного випадку фосфори лювання є також потенційна контрарегуляторна фосфатаза - фермент, який може видалити залишок фосфату і в такий спосіб модулювати сигналізацію; зазвичай фосфатази відіграють пригнічувальну роль у передачі сигналу. • Рецепторна тирозинкіназа є інтегральним мембран ним білком (наприклад, рецептори для інсуліну, епідермального фактору росту та фактору росту тромбоцитів); ліганд-індукований перехресний зв'язок активує внутрішні домени тирозинкінази, розміщені в кінцевих сегментах цитоплазми. • Декілька видів рецепторів не мають внутрішньої каталітичної активності (наприклад, імунних рецепторів, деяких цитокінових рецепторів та інте гринів). Для них окремий внутрішньоклітинний білок, відомий як нерецетпорна тирозинкіназа, вза ємодіє з рецепторами після зв'язування лігандів і фосфорилює специфічні фрагменти на рецепторах або інших білках. Клітинний гомолог трансформівного білка вірусу саркоми Рауса, так званого 8КС, є прототипом для важливого сімейства нерецепторних тирозинкіназ (5гс-сімейства кіназ). 5КС містить унікальні функціональні ділянки - 5 гс-гомологічні (5Н) домени; домени 5Н2, як правило, зв'язуються з рецепторами, фосфорильованими іншою кіназою, що уможливлює агрегацію кількох ферментів, тоді як домени 8НЗ опосередковують міжбілкову взаємо дію, часто залучаючи домени, багаті на пролін. • Рецепт ори, зв'я зан і із прот еїн ом С, - це поліпепти ди, які 7 разів перетинають плазматичну мембрану (звідси їх назва - семиспіральні трансмембранні рецептори, або серпентини); було ідентифіковано понад 1500 таких рецепторів. Після зв'язування ліганда рецептор асоціюється із внутрішньоклі тинним гуанозинтрифосфат (ГТФ)-зв'язаним білком (протеїн С). Основою цих білків є гуанозиндифосфат (ГДФ); взаємодія із комплексом рецеп- ГЛАВА 1 Клітина як одиниця здоров'я і хвороби Рецептор ІМоІсЬ (рецептор-залежний латентний фактор транскрипції, локалізований у цитоплазмі) Рецептор тирозинкінази Ядерний гормон Ліганд , Ліганд Ліганд СРВС ф Ьгр5/1грб Протеїни \Л/ІМТ Нерецепторна тирозинкіназа Кіназний домен АТФ Протеїни Розщеплен ня ІМоІсН СРКС Мультисубодинич- [ ■уп нии комплекс ІМоІсИ цАМФ Рецептор гормону РГІ22ІЄСІ ІС ІМоІсН \ [ І р-Катенін Нерецепторна тирозинкіназа Ядро Транскрипція генів, спрямованих на ядерний гормон Фактор росту Транскрипція генів, спрямованих на ИоІсЬ Транскрипція Рецептор фактору росту Фосфорилювання гДф Містковии Активація б'лок гтф" Інактивація шляхом гідролізу ГТФ І--------- Активний КА5 _______ І_______ с РІЗкіназа т ВАР АКТ “ Г тТО К *• Активація •* транкрипції Онкопротеїн МУС і Продовження клітинного циклу Рис. 1.12. С и гн а л іза ц ія , о п о с е р е д ко в а н а р е ц е п то р о м : А - категорії сигнальних рецепторів, які включають рецептори, що викорис товують нерецепторну тирозинкіназу; рецептор тирозинкінази; ядерний рецептор, який зв’язує його ліганд і може вплинути на транскрипцію; 7ТМ-рецептор, зв'язаний із гетеротривимірними протеїнами С; ІЧоїсН (рецептор-залежний латентний фактор транскрипції, локалізований у цитоплазмі), який розпізнає ліганд на окремій клітині й розщеплюється, унаслідок чого утворюється внутрішньоклітинний фрагмент, який може мігрувати в ядро і впливати на транскрипцію специфічних генів-мішеней; і сигнальний шлях УУІМТ/РгіггІесІ, активація якого вивільняє внутрішньо клітинний р-катенін із білкового комплексу, який зазвичай керує його конститутивною деградацією. Виділений р-катенін може потім мігрувати в ядро і діє як фактор транскрипції. І_гр5/І_гр6, тобто білки 5 і 6, зв’язані з рецептором ліпопротеїдів низької густини, - дуже гомологічні й діють як корецептори у сигналі УУКІТ/РгіггІес]. Б - сигналізація з рецептора на основі тирозинкінази. Зв'язування фактору росту (ліганда) зумовлює димеризацію рецептора й аутофосфорилювання залишків тирозину. Вмонтування адаптерних (або місткових) білків з’єднує рецептор з неактивним КА5, зв'язаною із ГДФ, що дає змогу ГДФ переміщуватися на користь ГТФ й отримувати активний ВАБ. Останній взаємодіє з ВАР (також відомий як МАР-кіназна кіназа) та активує її. Ця кіназа потім фосфорилює мітоген-активовану протеїнкіназу (МАРК), яка фосфорилює інші цитоплазматичні білки та ядерні фактори транскрипції, що зумовлює розвиток клітинних реакцій. Активний ВАЗ також може взаємодіяти з іншими компонентами, такими як фосфатидил-3-кіназа (РІЗ-кіназа), що активує інші сигнальні системи. Каскад вимикається, коли активний ВА5 урешті-решт гідролізує ГТФ до ГДФ і переводить ВА5 у неактивну форму. Мутації в ВАБ, що призводять до затримки гідролізу ГДФ, можуть посилювати проліферативну сигналізацію. ЯА5 - ген - супресор росту пухлин; тТОР - мішені рапаміцину в клітинах ссавців Активація клітин тор-ліганд призводить до активації протеїну С через обмін ГДФ на ГТФ. Низхідна сигналізація зазвичай ініціює продукування цАМФ та інозитол1,4,5-трифосфату (ІРЗ), останній вивільняє Са2+ з ЕР. • Я дер н і рецепт ори. Ліпідорозчинні ліганди можуть шляхом дифузії потрапляти в клітини, де вони взаємодіють із внутрішньоклітинними білками з утворенням комплексу рецептор-ліганд, який без посередньо зв'язується з ядерною ДНК; це може призводити або до активації, або до пригнічення транскрипції генів. • Інші класи рецепт орів. Спочатку було визнано, що інші рецептори є важливими для ембріонального розвитку та визначення долі клітини, але пізніше встановили, що вони беруть участь у функціонуван ні зрілих клітин, зокрема імунної системи. Ці шляхи залежать від міжбілкових взаємодій, а не від діяльнос ті ферментів, і передають сигнали, які можуть слугу вати для забезпечення дуже точного контролю: • рецепторні білки сімейства Моіск: зв'язування ліганда з [МоІсЬ-рецептором приводить до протео літичного розщеплення останнього та подальшої ядерної транслокації цитоплазматичного домена (внутрішньоклітинний КІоІсН) з утворенням тран скрипційного комплексу; • ліганди білків сімейства \ЛДМТ діють через шлях, що включає трансмембранні рецептори сімейства Ргіггіесі, які регулюють внутрішньо клітинний рівень р-катеніну. За відсутності \¥ГчІТ р-катенін бере участь в убіквітин-спрямованій деградації протеасом. Зв'язування УУГчІТ із РгІ22 ІесІ (та іншими корецепторами) залучає інші білки, які порушують комплекси, спрямо вані на деградацію. Це стабілізує р-катенін, що дає змогу переміститися до ядра й утворити транскрипційний комплекс. Модульні сигнальні білки, хаби та вузли Традиційний лінійний погляд на сигналізацію, зокрема те що активація рецептора забезпечує послі довне утворення біохімічних проміжних сполук, що врешті-решт зумовлює зміни в експресії генів та бажану біологічну відповідь, надто спрощений. Натомість усе частіше виявляється, що будь-який початковий сигнал стимулює виникнення кількох первинних і вторинних ефектів, кожен з яких тією чи іншою мірою залежить від кінцевого результату. Особливо це стосується сигнальних шляхів, в осно ві яких лежить ферментативна дія; зазвичай вона супроводжується каскадом поліпептидів унаслідок складних взаємодій. Наприклад, фосфорилювання будь-якого із цих білків може зумовити його асоціа цію з великою кількістю інших молекул, що призво дить до таких множинних ефектів, як: • активація (або інактивація) ферментів; • ядерна (або цитоплазматична) локалізація факторів транскрипції (див. далі); • активація фактору транскрипції (або інактивація); • полімеризація актину (або деполімеризація); • деградація білків (або стабілізація); • активація зворотних циклів блокування (або стиму лювання). Адаптерні білки відіграють ключову роль в орга нізації внутрішньоклітинних шляхів сигналізації. Ці білки функціонують як молекулярні конектори, що зв'язують різні ферменти та сприяють формуванню комплексів; адаптерні білки можуть бути інтегральни ми мембранними білками або цитозольними білками. Типовий адаптерний білок може містити декілька специфічних доменів (наприклад, 8Н2 або ЗНЗ), які опосередковують міжбілкову взаємодію. Впливаючи на білки, які залучаються до сигнальних комплексів, адаптерні білки можуть визначати каскад низхідної сигналізації. За аналогією із комп'ютерною мережею білково-біл кові комплекси можна розглядати як вузли, а біохімічні події, що «входять» або «виходять» із цих вузлів, - як хаби. Отже, передача сигналу може бути візуалізована як явище, подібне до стільникового зв'язку; розуміння таких процесів - це галузь біології систем, яка є поєднан ням біології та обчислення. Фактори транскрипції Більшість шляхів передачі сигналу зрештою впли вають на функцію клітин, модулюючи транскрип цію генів через активацію та ядерну локалізацію факторів транскрипції. Конформаційні зміни факто рів транскрипції (наприклад, після фосфорилювання) можуть зумовити їх переміщення в ядро або можуть виявляти специфічні ДНК чи білокзв'язувальні ком поненти. Фактори транскрипції можуть керувати експресією відносно обмеженого набору генів або справляти набагато ширший вплив на цей процес. Серед факторів транскрипції, які регулюють експре сію генів, необхідних для росту, є МУС та ДЛМ, тоді як фактор транскрипції, який запускає експресію генів, що призводять до затримки росту, - це р53. Фактори транскрипції мають модульну конструкцію, часто містять домени, які зв'язують ДНК, та інші домени, які взаємодіють з іншими білками, такими як компо ненти РНК-полімеразного комплексу, необхідного для транскрипції. • Зв'язувальні ДНК-домени уможливлюють специ фічне прикріплення до коротких послідовностей ДНК. Оскільки деякі сайти зв'язування факторів транскрипції розміщені в промотерах, близьких до сайта, де починається транскрипція, то зараз визнають, що більшість факторів транскрипції зв'язуються по всіх геномах, включаючи регулятор ні елементи великого діапазону, такі як енхансери. Останні функціонують шляхом закільцьовування до промоторів і, отже, просторово розміщені поруч із генами, які вони регулюють, навіть якщо в тер мінах послідовності геному вони можуть здаватися розташованими далеко. Ці дані свідчать про важ ливість організації хроматину в регуляції експресії генів, як нормальної, так і патологічної. • Для того щоб фактор транскрипції індукував транскрипцію, він повинен також мати домени міжбілкової взаємодії, які прямо або опосеред ковано залучають ферменти, що модифікують гістон, комплекси ремоделювання хроматину та (найголовніше) РНК-полімеразу - великий багатобілковий ферментативний комплекс, який відпо відає за синтез РНК. ГЛАВА 1 Клітина як одиниця здоров’я і хвороби ФАКТОРИ РОСТУ І РЕЦЕПТОРИ Важливою функцією факторів росту е стимуляція активності білків, необхідних для виживання, росту та поділу клітин. Діяльність факторів росту опосеред ковується шляхом зв'язування з певними рецепторами, що зрештою впливає на експресію генів, які можуть: • сприяти початку клітинного циклу; • усувати перешкоди у ході клітинного циклу (тим самим забезпечуючи реплікацію); • запобігати апоптозу; • посилювати біосинтез компонентів клітин (нукле їнових кислот, білків, ліпідів, вуглеводів), необхід них для того, щоб материнська клітина утворила дві дочірні клітини. Хоча деякі фактори росту є білками, які «просто» стимулюють проліферацію та/або виживання клітин, важливо пам'ятати, що вони також можуть керувати безліччю інших подій, включаючи міграцію, диферен ціювання і здатність до синтезу. Деякі важливі фактори росту, що впливають на регенерацію та репарацію тка нин, наведено в табл. 1.1 й описано в главі 3. Фактори росту можуть бути задіяні у проліфера ції клітин, що перебувають у стійкому стані, а також необоротно ушкоджених клітин. Неконтрольована проліферація можлива, якщо активність фактору рос ту дисрегульована або його сигнальні шляхи зміню ються, щоб стати постійно активними. Отже, багато генів факторів росту є протоонкогенами, а мутації, що посилюють функції цих генів, можуть перетворювати їх на онкогени, здатні спричиняти необмежену про ліферацію й утворення пухлини. Далі підсумовуються окремі фактори росту, які беруть участь у важливих процесах репарації та регенерації тканин; унаслідок їх проліферативного ефекту вони також можуть при звести до утворення пухлини. Незважаючи на те що описані тут фактори росту включають рецептори із внутрішньою активністю кінази, інші фактори росту можуть передавати сигнали через кожний із багатьох шляхів, показаних на рис. 1.12. • Епідермальний ф акт ор рост у (ЕФР, ЕСР) та т ранс ф орм увальний ф акт ор р ост у-а (ТФР, ТСЕ-а) нале жать до сімейства ЕСР і зв'язуються з тими самими рецепторами, що пояснює їх спільну біологічну активність. ЕСР і ТСР-а продукуються макрофа гами й різними епітеліальними клітинами, є мітогенними для гепатоцитів, фібробластів та безлічі епітеліальних клітин. «Сімейство рецепторів ЕСР» включає чотири мембранні рецептори із внутріш ньою активністю тирозинкінази; найкраще опи саний ЕСРК1, також відомий як ЕКВВ1, або просто ЕСРК. Мутації та/або посилення ЕСРК1 часто вини кають при ракових захворюваннях, у тому числі легень, голови та шиї, грудної залози і головного мозку. Рецептор ЕКВВ2 (також відомий як НЕК2) зазнає надмірної експресії у підгрупі раку грудної залози. Для лікування злоякісних пухлин багато із цих рецепторів були успішно зроблені мішенню антитіл й антагоністів малих молекул. • Ф акт ор рост у гепат оцит ів (ФРГ, НСЕ; також відо мий як фактор розсіювання) справляє мітогенний вплив на гепатоцити та більшість епітеліальних клі тин. Він діє як морфоген у процесі ембріонального розвитку (тобто впливає на структуру диферен ціації тканин), сприяє міграції клітин (звідси його назва - фактор розсіювання) і підвищує виживаність гепатоцитів. НСР продукується фібробластами та більшістю мезенхімальних клітин, а також ендоте лієм і непаренхіматозними клітинами печінки. Він синтезується як неактивний попередник (про-НСР), що активується сериновими протеазами, виділени ми в місці травми. Рецептором НСР є МЕТ, що має внутрішню активність тирозинкінази. Він часто надміру експресований або мутирує в пухлинах, Таблиця 1.1. Фактори росту, що беруть участь у регенерації та відновленні Ф актор росту Д ж ер ел а Ф у н к ц ії Епідермальний фактор росту (ЕФР, ЕСР) Активовані макрофаги, клітини слинних залоз, кератиноцити та багато інших клітин Мітоген для кератиноцитів і фібробластів; активує міграцію кератиноцитів; стимулює формування грану ляційної тканини Трансформувальний фактор росту-а (ТФР-а, ТСР-а) Активовані макрофаги, клітини слинних залоз, кератиноцити та багато інших клітин Стимулює проліферацію гепатоцитів і багатьох інших епітеліальних клітин Фактор росту гепатоцитів (ФРГ, НСР), або фактор розсіювання Фібробласти, стромальні клітини печінки, ендотеліальні клітини Посилює проліферацію гепатоцитів та інших епітелі альних клітин; підвищує рухливість клітин Фактор росту судинного ендотелію (ФРСЕ, УЕСР) Мезенхімальні клітини Стимулює проліферацію ендотеліальних клітин; підви щує проникність судин Фактор росту тромбоцитів (ФРТ, РОСР) Тромбоцити, макрофаги, ендотеліальні клітини, гладкі м’язові клітини, кератиноцити Хемотаксичний ефект для нейтрофілів, макрофагів, фібробластів і гладких м’язових клітин; активує пролі ферацію фібробластів, ендотеліальних та інших клітин; стимулює синтез білка ПКМ Фактори росту фібробластів (ФРФ, РСР), у тому числі кислотні (РСР-1) й основні (РСР-2) Макрофаги, тучні клітини, ендотеліальні клітини, багато інших типів клітин Хемотаксичний і мітогенний ефект для фібробластів; стимулює ангіогенез і синтез білка ПКМ Трансформувальний фактор росту-р (ТФР-Р, ТСР-Р) Тромбоцити, Т-лімфоцити, макрофаги, ендо теліальні клітини, кератиноцити, гладкі м'язові клітини, фібробласти Хемотаксичний ефект для лейкоцитів та фіброблас тів; стимулює синтез білка ПКМ; пригнічує гостре запалення Фактор росту кератиноцитів (ФРК, КСР; зокрема ФРК-7, КСР-7) Фібробласти Стимулює міграцію, проліферацію та диференціювання кератиноцитів Позаклітинний матрикс зокрема при папілярній карциномі нирок і щито подібної залози. Нині досліджують роль інгібіторів МЕТ у терапії раку. • Ф акт ор рост у т ром боци т ів (ФРТ, РОСР) пред ставляє сімейство із кількох тісно зв'язаних білків, кожен з яких складається із двох ланцюгів (позна чених парами букв). Три ізоформи РОСР (А А, А В, і ВВ) є конститутивно активними, тоді як РОСР-СС і РОСР-ОО потребують активації шляхом протеолі тичного розщеплення. РОСР зберігається в грану лах тромбоцитів і вивільняється в разі їх активації. Хоча спочатку цей фактор росту виділяється із тромбоцитів (звідси і назва), його також синтезують багато інших клітин, включаючи активовані макро фаги, ендотелій, гладкі м'язові клітини та різні пухлини. Усі ізоформи РОСР проявляють свою дію шляхом зв'язування із двома поверхневими рецепторами (ТСР-а і ТСР-р), які мають внутрішню активність тирозинкінази. РОСР зумовлює синтез фібробластів, ендотеліальних і гладких м'язових клітин, а також ПКМ, є хемотаксичним для цих клі тин (і запальних клітин), тим самим спрямовуючи їх у вогнища запалення та ушкоджені ділянки тканин. • Ф акт ори рост у су ди н н ого ен дот ел ію (ФРСЕ, УЕСР) - УЕСР-А, -В, -С, -О, а також фактор росту плаценти входять до сімейства гомодимерних біл ків. УЕСР-А взагалі називається просто УЕСР; він є основним фактором, що відповідає за ангіогенез, оскільки індукує утворення кровоносних судин після травми і під час росту пухлини. Для порівнян ня: УЕСР-В і фактор росту плаценти беруть участь в утворенні ембріональних судин, а УЕСР-С і -О стимулюють як ангіогенез, так і розвиток лімфа тичної системи (лімфангіогенез). УЕСР також бере участь у підтриманні нормальної структури ендо теліальних клітин, що вистилають зрілі судини. їх експресія є найвищою в епітеліальних клітинах, прилеглих до сітчастого ендотелію (наприклад, подоцити в нирках, пігментний епітелій у сітківці, а також судинне сплетення в головному мозку). УЕСР індукують ангіогенез, забезпечуючи мігра цію та проліферацію ендотеліальних клітин (капі лярне проростання) й утворення просвіту судин, а також зумовлюють розширення судин і підвищу ють їх проникність. Як можна було очікувати, гіпок сія є найважливішим індуктором продукування УЕСР за допомогою шляхів, які сприяють активації індукованого гіпоксією фактору (НІР-1) - фактору транскрипції. Інші індуктори УЕСР, синтезовані у вогнищах запалення або ділянках загоєння ран, включають РОСР і ТСР-а. УЕСР зв'язуються із сімейством рецепторних тирозинкіназ (рецептори УЕСР-1, -2 і -3). Рецептор УЕСР-2 переважно експресується в ендотелії і є най більш важливим для ангіогенезу. Антитіла проти УЕСР рекомендовані для лікування деяких пухлин, таких як рак нирок і товстої кишки, оскільки ангіогенез - необ хідний етап поширення та росту пухлин. Ці антитіла також застосовують у лікуванні низки офтальмологіч них захворювань: «мокрої» вікової макулярної дегене рації - порушення ангіогенезу та проникності судин, що спричиняє сліпоту в дорослих; ретинопатії недоно шених; і «витікаючі судини», що призводять до діабе тичного макулярного набряку. Нарешті, підвищений рівень розчинної форми рецептора УЕСР-1 (з-РЬТ-І) у вагітних може спричиняти прееклампсію (артеріальну гіпертензію і протеїнурію) шляхом «усмоктування» вільного УЕСР, необхідного для підтримання нормаль ної структури ендотелію. • Ф акт ор рост у ф ібр обл аст ів (ФРФ, РСР) входить до складу сімейства факторів росту, яке включає понад 20 представників. Найкраще описані кис лотні (аРСР, або РСР-1) й основні (ЬРСР, або РСР-2) фактори; РСР-7 також називають фактором росту кератиноцитів. Виділені РСР зв'язуються із гепарану сульфатом у ПКМ, що слугує резервуаром для неактивних факторів, які згодом можуть вивільня тися шляхом протеолізу (наприклад, на ділянках загоєння ран). РСР передають сигнали через чоти ри рецептори тирозинкінази (рецептори РСР 1-4), сприяють загоєнню ран, кровотворенню та розви тку; ЬРСР виконує також усі дії, необхідні для ангіо генезу. • Т р ан сф орм увальн и й ф а к т ор р ост у /? (ТФР-(3, ТСР-Р) має три ізоформи - ТСР-рі, ТСР-Р2 та ТСР-рЗ, які належать до сімейства із приблизно 30 членів, включаючи морфогенетичні білки кісток (МБК), активіни, інгібіни та інгібіторну речовину Мюллера. ТСР-рі значно поширений, і його час тіше називають просто ТСР-р. Це гомодимерний протеїн, продукований різними типами клітин, у тому числі тромбоцитами, ендотеліальними кліти нами та клітинами системи мононуклеарних фаго цитів (СМФ). ТСР-р секретується як попередник, що потребує протеолізу для отримання біологічно активного білка. Існують два рецептори ТСР-р, обидва з активністю серину/треонінкінази, що індукує фосфорилювання кількох цитоплазматич них факторів транскрипції, які називають Зтайз. Фосфорильовані йтасія утворюють гетеродимери 31 5тас14, уможливлюючи ядерну транслокацію та зв'язок з іншими ДНК-зв'язувальними білками для активації або пригнічення транскрипції генів. ТСР-р зумовлює різні й часто протилежні ефекти, залежно від типу тканини та одночасних сигна лів. Агенти з таким розмаїттям ефектів називають плейотропними, а ТСР-р є «надміру плейотропним». Передусім він індукує утворення рубців шляхом стимуляції синтезу ПКМ внаслідок зниження актив ності матричної металопротеїнази та підвищення активності тканинних інгібіторів протеїназ. Також ТСР-р гальмує запалення, що супроводжує загоєн ня ран, пригнічуючи проліферацію лімфоцитів та активність інших лейкоцитів. ПОЗАКЛІТИННИЙ МАТРИКС ПКМ - це сітка інтерстиційних білків, яка становить значну частку будь-якої тканини. Взаємодія клітини з ПКМ є основним фактором розвитку та загоєння, а також підтримання нормальної структури тканин (рис. 1.13). Значно більше ніж просто «наповнювач про стору» навколо мікросередовигц, ПКМ виконує кілька основних функцій: • механічне підтримання фіксації та міграції клітин, а також забезпечення полярності клітини; 21 22 ГЛАВА 1 Клітина як одиниця здоров’я і хвороби Волокна ламініну ПОЗАКЛІТИННИЙ МАТРИКС Волокна ламініну Колаген Колаген Фібронектин Фібронектин р росту Фактор росту Інтегрин Рецептор фактору росту і І Локальні комплекси адгезії Актиновий цитоскелет ШЛЯХ ПРОВЕДЕННЯ ЦИТОПЛАЗМОВОГО СИГНАЛУ СИГНАЛИ, ОПОСЕРЕДКОВАНІ ЦИТОСКЕЛЕТОМ ШЛЯХ ПРОВЕДЕННЯ ЦИТОПЛАЗМОВОГО СИГНАЛУ ПРОЛІФЕРАЦІЯ, ДИФЕРЕНЦІАЦІЯ, СИНТЕЗ БІЛКІВ, ПРИКРІПЛЕННЯ, МІГРАЦІЯ, ЗМІНА ФОРМИ Рис. 1 .1 3 . В заєм од ія п о з а кл іт и н н о го м а тр и кс у т а о п о с е р е д к о в а н о го ф акто р о м р осту кл іти н н о го сигналу. Інтегрини клітинної оболонки взаємодіють із цитоскелетом у локальних комплексах адгезії (білкові агрегати, що включають вінкулін, а-актинін і талін, див. рис. 1.16, В). Це може ініціювати продукування внутрішньоклітинних месенджерів або безпосередньо передавати сигнали в ядро. Рецептори для факторів росту на поверхні клітини можуть активувати шляхи передачі сигналу, які перехрещуються з опосередкованими через інтегрини. Сигнали від компонентів ПКМ та факторів росту можуть бути інтегровані клітинами для одержання відповідної реакції, включаючи порушення проліферації, міграції та/або диференціювання • контроль проліферації шляхом зв'язування та пре зентації факторів росту і сигналізації через клітинні рецептори сімейства інтегринів. ПКМ забезпечує депо для різних латентних факторів росту, які можуть активуватися в ураженій ділянці або вогни щі запалення; • каркас для оновлення тканин. Оскільки підтримання нормальної структури тканин потребує наявності базальної мембрани або інтерстиційної тканини, цілість цих елементів у паренхіматозних клітинах є дуже важливою для організованої регенерації тканин. Порушення ПКМ призводить до дефектної регенерації та репарації тканин, наприклад, циро зу печінки, що є наслідком руйнування печінкової строми при різних формах гепатиту; • формування мікросередовищ тканини. Базальна мемб рана слугує межею між епітелієм і глибше роз ташованою сполучною тканиною; вона не тільки забезпечує механічне підтримання епітелію, а й функціонує як частина фільтраційного апарату, наприклад у нирках. ПКМ постійно перебудовується; його синтез і деградація супроводжують морфогенез, регенерацію та репарацію тканин, хронічний фіброз, інвазію і метастазування пухлини. ПКМ представлений двома основними формами - інтерстиційною тканиною та базальною мембраною (рис. 1.14). • Інт ерст иційна т канина наявна у проміжках між клітинами у сполучній тканині, а також між епітелі єм паренхіми та глибше розташованими судинами і гладкими м'язовими клітинами. Вона синтезується мезенхімальними клітинами (наприклад, фібро бластами), утворюючи аморфний тривимірний гель. Основними складниками інтерстиційної тка нини є фібрилярний і нефібрилярний колаген, а також фібронектин, еластин, протеоглікани, гіалуронат та інші структури (див. далі). Позаклітинний матрикс Епітелій V ■■ УК__ Ш ■ ■■___ А ц ии-^4 т Ц Ц |І Ц П П Ц Інтегри Фібробласти БАЗАЛЬНА МЕМБРАНА • Колаген IV типу • Ламінін • Протеоглікан Інтегрини Клітини ендотелію Адгезивні Капіляри глікопротеїди Протеоглікан Колаген IV типу Ламінін ІНТЕРСТИЦІЙНА ТКАНИНА • Фібрилярний колаген • Еластин Перехресно • Протеоглікан та з'єднані потрійні гіалуронан спіралі колагену Протеоглікан Рис. 1 .1 4. О сно в ні к о м п о н е н т и п о з а кл іт и н н о го м атр и кс у, в кл ю чаю ч и ко л аге н , п р о те о гл іка н и т а а д ге зи в н і гл іко п р о те їд и . Як епітеліальні, так і мезенхімальні клітини (наприклад, фібробласти) взаємодіють із ПКМ через інтегрини. Базальна мембрана й інтерстиційна ткани на мають різну будову та загальний склад, хоча в певних випадках наявні обидва компоненти. Для забезпечення наглядності багато компонентів ПКМ (наприклад, еластин, фібрилін, гіалуронан і синдекан) не показані • Б азальн а м ем брана. Начебто випадкове розміщен ня інтерстиційного матриксу в сполучній тканині стає надзвичайно організованим навколо епітелі альних, ендотеліальних і гладких м'язових клітин, утворюючи спеціалізовану базальну мембрану. Вона синтезується вищерозташованим епітелієм і нижчерозташованими мезенхімальними клітина ми, утворюючи плоску пластинчасту «дрібнокоміркову» сітку (попри назву «мембрана» вона доволі пориста). Основними елементами є аморфний нефібрилярний колаген IV типу та ламінін. Компоненти позаклітинного матриксу Компоненти ПКМ включають три групи білків (рис. 1.15): • волокнисті структурні білки, такі як колаген й елас тин, що забезпечують міцність на розрив та віднов лення форми; • гідратовані гелі, такі як протеоглікани і гіалуронан, що перешкоджають стисканню та забезпечують змащування суглобових поверхонь; • адгезивні глікопротеїди, які з'єднують елементи ПКМ між собою та клітинами. К олаген складається із трьох окремих поліпептидних ланцюгів, сплетених у канатоподібну спіраль. Виявлено близько ЗО типів колагену, деякі з них є уні кальними для певних клітин і тканин: • певні типи колагену (наприклад, колаген типу І, II, III, V) утворюють лінійні фібрили, стабілізовані міжланцюговими водневими зв'язками; цей фібри лярний колаген утворює основну частину сполучної тканини у таких структурах, як кістки, сухожилки, хрящі, кровоносні судини та шкіра, а також бере участь у загоєнні ран і формуванні рубців. Міцність на розрив фібрилярного колагену забезпечується бічним «зшиванням» потрійних спіралей кова лентними зв'язками, незвичною посттрансляційною модифікацією, яка потребує гідроксилювання залишків лізину в колагені ферментом лізилоксидазою. Оскільки лізилоксидаза є вітамін С-залежним ферментом, діти із дефіцитом вітаміну С мають деформації скелета, а в осіб будь-якого віку про цес одужання більш тривалий, спостерігаються часті кровотечі через «слабкий» колаген. Генетичні дефекти в колагені спричинюють такі захворюван ня, як незавершений остеогенез та певні форми син дрому Елерса-Данлоса (глава 7); • нефібрилярний колаген справляє різноманітний вплив на структуру плоских базальних мембран (колаген IV типу), допомагає регулювати діаметр колагенових фібрил або взаємодію колагену з кола геном за допомогою «фібриласоційованого колаге ну з перерваними потрійними спіралями» (БАСІТ, зокрема колаген IX типу у хрящі) і забезпечує при кріплення фібрил у базальній мембрані під стратифікованим плоским епітелієм (колаген VII типу). Еластин забезпечує здатність тканин відштовху ватися і відновлювати свою форму після механічної деформації (див. рис. 1.15). Еластичність особливо важлива у юіапанах серця і великих кровоносних суди нах, які повинні витримати повторюваний пульсівний потік крові, а також у матці, шкірі та зв'язках. Еластичні волокна складаються із центрального ядра еластину та мереживоподібної сітки, основним елементом якої слугує фібрилін. Це пояснює, чому дефекти фібриліну призводять до аномалій скелета й ослаблення стінок аорти, як при синдромі Марфана. Фібрилін також контролює наявність ТСЕ-(3 (глава 7). 23 ГЛАВА 1 Клітина як одиниця здоров’я і хвороби Короткий відрізок колагенового волокна Хондроїтину сульфат Гепарану і протеоглікан у матриксі Кератану сульфат Каркас гіалуронової кислоти Білок з'єднання Гепарану вільнии ЬРСР ЬРСР у комплексі з гепарану сульфатом Еластичне волокно _1_ Білок з'єднання Гіалуронова кислота Ядерний білок РОЗТЯГУВАННЯ Молекула еластину’ РОЗСЛАБЛЕННЯ Сульфатовані Перехресне з'єднання Рецептор РСР цукри Актиновий цитоскелет Рис. 1 .1 5. К о м п о н е н ти п о з а кл іт и н н о го м атр и кс у: А - фібрилярний колаген та структура еластичних волокон. Завдяки паличкоподібному комплексу фібрил і бічному «зшиванню» потрійних спіралей колагенові волокна мають значну міцність на розрив, але недостатньо еластичні. Еластин також перехресно з’єднаний, але вирізняється наявністю великих гідрофобних доменів, які утворюють щільну кульову конфігурацію в стані спокою. Коли здійснюється розтягування, гідрофобні домени розгортаються, але перехресні з'єднання запобігають ушкодженню молекули; розслаблення дає змогу гідрофобним доменам білків згорнутися знову. Б - структура протеоглікану. Сульфатовані цукри із високим негативним зарядом на «щетині» протеоглікану залучають натрій і воду для утворення в’язкого желатиноподібного матриксу. Б — регулювання основної активності РСР (ЬРСР, або РСР-2) шляхом асоціації із позаклітинним матриксом і клітинними протеогліканами. Гепарану сульфат зв’язує ЬРСР, який секретується в ПКМ. Синдекан - це клітинна поверхня протеогліканів із трансмембраним білком ядра і позаклітинними бічними ланцюгами глікозаміноглікану, які з'єднують ЬРСР із кінцевими сегментами цитоплазми, що взаємодіють із цитоскелетом. Бічні ланцюги синдекану зв'язують ЬРСР, який вивільняється з ушкодженого ПКМ, у такий спосіб полегшуючи взаємодію ЬРСР із рецепторами клітинної оболонки П рот еоглікани та гіал у р он ан (див. рис. 1.15). Протеоглікани утворюють сильно гідратовані гелі, що зумовлюють стійкість до стискання; вони також забезпечують змащення суглобових поверхонь. Протеоглікани складаються із довгих полісахаридів глікозаміногліканів (наприклад, кератану сульфат та хондроїтину сульфат), приєднаних до основного білка; потім вони зв'язуються з довгим полімером гіалуронової кислоти - гіалуронаном, що нагадує щетину на щітці для миття пробірок. Маючи високий негативний заряд, щільно упаковані сульфатовані цукри притягу ють катіони (переважно № +) та багато молекул води, що утворюють в'язкий желатиноподібний матрикс. Окрім запобігання стисканню тканин протеоглікани також слугують резервуарами для секретованих фак торів росту (зокрема РСР і НСР). Деякі протеоглікани є невід'ємними білками клітинних оболонок, які беруть участь у проліферації, міграції та адгезії клітин, напри клад, шляхом зв'язування і концентрації факторів рос ту й хемокінів. А дгезивні глікопрот еїди т а рецепт ори адгезії. Це структурно різноманітні молекули, які різними шляха ми залучаються до взаємодії клітина-клітина, клітинаПКМ і ПКМ-ПКМ (рис. 1.16). Прототипні адгезивні глікопротеіди містять фібронектин (основний компонент інтерстиційного ПКМ) та ламінін (основний елемент базальної мембрани). Інтегрини є рецепторами адге зії, що також відомі як молекули адгезії клітин (МАК); окрім того, МАК включають представників сімейства імуноглобулінів, кадгерини і селектини: • фібронектин є великим (450 кДа) дисульфід-зв'язаним гетеродимером, який існує у тканинній та плазма тичній формах; він синтезується різними клітинами, включаючи фібробласти, моноцити й ендотеліаль ні клітини. Фібронектин має специфічні домени, які зв'язуються з окремими компонентами ПКМ (наприклад, колагеном, фібрином, гепараном і про теогліканами), а також з інтегринами (див. рис. 1.16). При загоєнні ран тканинна і плазматична форми фібронектину забезпечують каркас для подальшого «осідання» ПКМ, ангіогенезу та реепітелізації; • ламінін - найпоширеніший глікопротеїд у базальній мембрані. Він являє собою хрестоподібний гетеротример масою 820 кДа, який приєднує клітини до основних компонентів ПКМ, таких як колаген IV типу та гепарану сульфат (див. рис. 1.16). Окрім опосередкованого приєднання до базальної мемб рани ламінін також може зумовлювати проліфера цію, диференціювання та міграцію клітин; • інтегрини - велике сімейство трансмембранних гетеродимерних глікопротеїдів, що складаються з а- і р-субодиниць; останні уможливлюють приєд- Підтримання популяцій клітин н,м Домени, — зв'язані — з гепараном ин, Позаклітинний матрикс Ланцюг А Домени, — зв'язані — з фібрином Домени, — зв'язані — з колагеном Фрагмент, — зв'язаний — з інтегрином Ланцюг В1 Домен зв'язування Місця зв'язу вання колагену IV типу Паксилін Вінкулін Вінкулін Домени, — зв'язані — з гепараном ноос- Домени, — зв'язані — з фібрином Місце з'єднання ' з поверхнею нейрона ■СООН ФІБРОНЕКТИН ЛАМІНІН Місце зв'язу вання з гепарану сульфатом і протеоглікан ом Актин Кінази ІНТЕГРИНИ Рис. 1.16. В заєм одія кл іти н і п о з а кл іт и н н о го м атр и кс у (а д ге зи в н і гл іко п р о те їд и т а р е ц е п то р и ад гезії'): А - фібронектин склада ється з димера, приєднаного до дисульфіду, із кількома окремими доменами, які дають змогу зв’язуватися з ПКМ та інтегринами, з останніми через послідовність аргінін-гліцин-аспарагінової кислоти (КСО). Б - перехресна молекула ламініну є одним з основних компонентів базальної мембрани; її багатодоменна структура уможливлює взаємодію колагену IV типу, інших компонентів ПКМ та рецепторів клітинної оболонки. В - інтегрини Й інтегрин-опосередковані сигнали в локальних комплексах адгезії. Кожен а-р гетеродимерний інтегриновий рецептор є трансмембранним димером, який зв’язує ПКМ та внутрішньоклітинний цитоскелет. Він також з'єднаний із комплексом зв’язувальних молекул (наприклад, вінкулін і талін), які можуть залучати й активувати кінази, що зрештою зумовлюють каскади низхідної сигналізації нання клітин до компонентів ПКМ, зокрема ламіні ну й фібронектину, у такий спосіб функціонально та структурно зв'язуючи внутрішньоклітинний цитоскелет із зовнішнім середовищем. Окрім того, інтегрини опосередковують взаємодію клітин; на поверхні лейкоцитів вони відіграють важливу роль у забезпеченні щільної адгезії та трансміграції через ендотелій у вогнищах запалення (глава 3), а також в агрегації тромбоцитів (глава 4). Інтегрини при єднуються до компонентів ПКМ через трипептидну сполуку - аргінін-гліцин-аспарагінову кислоту (ско рочено КСО). Окрім забезпечення адгезії до глибше розташованих субстратів, зв'язування через рецеп тори інтегрини також можуть активувати сигнальні каскади, які впливають на рух, проліферацію, фор му та диференціювання клітин (див. рис. 1.16). п ід т р и м а н н я популяцій клітин Проліферація та клітинний цикл Проліферація клітин - це основа розвитку, підтри мання стійкого гомеостазу тканин та заміни загиблих чи ушкоджених клітин. Ключовими її елементами слугують точна реплікація ДНК, що супроводжуєть ся скоординованим синтезом усіх елементів клітин, із наступним рівномірним розподілом ДНК та інших елементів (наприклад, органел) у дочірніх клітинах унаслідок мітозу й цитокінезу. Послідовність подій, що зумовлює поділ клітин, називають клітинним циклом. Він складається із фаз С 1 (пресинтетичного росту), 5 (синтез ДНК), С 2 (премітотичного росту) та М (мітоз); клітини, які не беруть активної участі у циклі, перебувають у фазі С0. (рис. 1.17). Клітини можуть входити у фазу С1 або із пулу клітин С0, або після завершення мітозу. Кожен етап потребує завершення попередньої фази, а також активації необхідних факторів (див. далі); неправильна реплікація ДНК чи дефіцит кофакторів призводить до зупинки в різних точках переходу. Клітинний цикл регулюється численними акти ваторами й інгібіторами. Цим процесом керують білки цикліни, названі так за циклічність їх продуку вання і деградації, а також циклін-асоційовані фермен ти - циклінзалежні кінази (англ. СОК; рис. 1.18). Останні набувають здатності фосфорилювати білкові субстрати (тобто активності кінази), утворюючи комплекси з відпо відними циклінами. Тривала індукція синтезу певного цикліну призводить до підвищення активності кінази відповідного партнера, який зв'язує СОК; оскільки СОК завершує свій цикл фосфорилювання, асоційований циклін деградується і активність СОК знижується. Таким чином, оскільки рівень цикліну підвищується і знижу ється, активність асоційованих СОК так само змінюється. Виявлено понад 15 циклінів; цикліни О, Е, А і В з'являються послідовно протягом клітинного циклу та зв'язуються з одним або кількома СОК. Отже, клітин ний цикл нагадує естафету, в якій кожен етап регу люється певним набором циклінів: коли один набір ГЛАВА 1 Клітина як одиниця здоров’я і хвороби Подвоєння хромосоми Виявлення ушкоджень ДНК (контрольна точка 6/.5) Виявлення ушкоджень або неподвоєнняДНК (контрольна точка С/М) Точка обмеження Мітоз Подвоєння хромосоми Наростання маси Поділ клітини Рис. 1.17. О сно в ні ф ази кл іти н н о го циклу. На рисунку показані фази клітинного циклу (С0, С г С 2, 5 і М), локалізація точки обмеження С 1та контрольних точок клітинного циклу - СуЗ та С 2/М. Точка обмеження С, належить до фази С г при якій клітина залучається до клітинного циклу без подальшої потреби у факторі росту, що ініціював поділ клітини. Клітини з лабільних тканин, таких як епідерміс й епітелій травного тракту, можуть проходити цикл безперервно; стабільні клітини, зокрема гепатоцити, перебувають у стані спокою, але можуть входити в клітинний цикл; постійні клітини, такі як нейрони та кардіоміоцити, втратили здатність до проліферації Інгібітори СОК Рис. 1.18. Роль ц и кл ін ів , ц и к л ін з а л е ж н и х кін а з (С О К ) т а їх н іх ін гіб іто р ів у р е гу л я ц ії кл іти н н о го циклу. Затінені стрілки - це фази клітинного циклу, під час яких активні специфічні комплекси циклін-С О К. Як показано на рисунку, циклін 0 - С 0 К 4 , циклін 0 - С 0 К 6 і циклін Е -С О К2 регулюють перехід фази у фазу 5 за рахунок фосфорилювання білка В.В (рКВ). Циклін А -С О К 2 і циклін А -С О К 1 активні у фазі 5. Циклін В-СО К1 необхідний для переходу фази С 2 у фазу М. Два сімейства інгібіторів можуть блокувати активність С О К та прогресування клітинного циклу. Так звані інгібітори ІІ\ІК4, що складаються із р16, р15, р18 і р19, діють на комплекси циклін 0 - С 0 К 4 і циклін О -С О Кб. Інше сімейство із трьох інгібіторів - р21, р2 7 та р57 - може пригнічувати дію всіх С О К Підтримання популяцій клітин циклінів залишає бігову доріжку, наступний підхоп лює естафету. У клітинний цикл вбудовані механізми спостеріган ня, що виявляють ушкодження ДНК або хромосом. Ці контрольні точки гарантують, що клітини із генетични ми дефектами не завершать реплікацію. У такий спосіб контрольна точка С у 5 контролює цілість ДНК, перед тим як залучити клітинні ресурси для реплікації ДНК. Пізніше у клітинному циклі контрольна точка С,/М гарантує точну реплікацію ДНК, перш ніж клітина фак тично розділиться. У разі виявлення дефектів ДНК акти вація контрольної точки затримує прогресування клітин ного циклу і запускає механізми відновлення ДНК. Якщо генетичні дефекти є занадто складними для «ремонту», клітини або зазнають апоптозу, або входять у невідновлювальний стан, що називається старінням, - переважно внаслідок р53-залежних механізмів (див. далі). Забезпечення контролю фаз клітинного циклу - це робота інгібіторів СОК; вони здійснюють її, модулюю чи активність комплексу циклін-СОК. Є кілька різних інгібіторів СОК: • одне сімейство інгібіторів СОК складається із трьох білків, названих р21 (СОК N1 А), р27 (СОК N1 В) та р57 (СОК N10), і пригнічує функцію кількох ЦЗК; • інше сімейство інгібіторів СОК чинить селективну дію на циклін СОК4 і циклін СОК6; ці білки назива ють р15 (СОК N26), р іб (СОК N2А), р18 (СОК N 20) і р19 (СОК N 20); • дефектні білки контрольної точки СОК дозволяють ділитися клітинам з ушкодженою ДНК, що при зводить до утворення мутованих дочірніх клітин і підвищує ризик злоякісного перетворення. Не менш важливим аспектом росту і поділу клі тин є біосинтез інших компонентів клітин, таких як мембрани й органели, необхідних для утворення двох дочірніх клітин. Отже, коли сигнал рецептора фактору росту стимулює прогресування клітинного циклу, він також активує події, які сприяють змінам клітинного метаболізму, що підтримують їх ріст. Основним із них є ефект Варбурга, згаданий раніше, який характеризу ється посиленим поглинанням глюкози та глутаміну клітинами, активацією гліколізу та (антиінтуїтивно) гальмуванням окисного фосфорилювання. Ці зміни слугують основними критеріями росту ракових клітин і детальніше описані у главі 6. реплікацією, самооновленням та диференціацією стов бурових клітин і загибеллю зрілих, повністю диферен ційованих клітин (рис. 1.19). Прикладом динамічного зв'язку між стовбуровими клітинами й повністю дифе ренційованою паренхімою є постійний поділ епітелію шкіри. Так, стовбурові клітини у базальному шарі епі телію прогресивно диференціюються у процесі мігра ції до поверхневого шару епітелію, перш ніж гинуть і відшаровуються. У процесі гомеостазу стовбурові клітини характе ризуються такими важливими властивостями, як: • самооновлення, що дає змогу підтримувати кількість стовбурових клітин. Воно відбувається шляхом аси метричного або симетричного поділу; • асиметричний поділ, що належить до реплікації клітин: одна дочірня клітина виходить на шлях диференціації й утворює зрілі клітини, тоді як інша залишається недиференційованою і зберігає здат ність до самовідновлення. У разі симетричного поділу обидві дочірні клітини здатні до самовідновлення. Такий поділ можна побачити на ранніх етапах ембріогенезу (коли популяції стовбурових клітин розростаються) та в умовах стресу, наприклад, у кістковому мозку після хіміотерапії. Незважаючи на те що в науковій літературі існує тенденція класифікувати стовбурові клітини на кіль ка різних підгруп, переважно виділяють лише два різновиди: • Е м бріон альні ст овб у р ові клітини (ЕС-клітини) є найбільш недиференційованими. Вони наявні все редині бластоцисти, мають майже безмежну здат ність до відновлення клітин і можуть утворювати кожну клітину в організмі, тому їх вважають тоти- Проліферація Диференціація Стовбурові клітини Не всі стовбурові клітини утворюються однаковими. Під час розвитку т от ипот ент ні ст овб у р ові кліт и ни можуть породжувати всі види диференційова них тканин; у зрілому організмі д о р о сл і ст овб у р ові клітини в різних тканинах здатні тільки заміщати ушкоджені клітини і підтримувати клітинні попу ляції всередині тканин, де вони локалізуються. Існують також популяції стовбурових клітин між цими крайніми випадками із різною здатністю до диферен ціації у клітини кількох ліній. Отже, залежно від дже рела і стадії розвитку кількість типів клітин, здатних утворювати популяцію стовбурових клітин, може бути недостатньою. У здорових тканинах (без неоплазії, дегенерації або процесів загоєння) існує гомеостатична рівновага між Апоптоз Рис. 1 .1 9. М ех а н ізм и регулю вання п о п у л я ц ії кл іти н. Кількість клітин може бути змінена за рахунок збільшення або зменшення час тоти застосування стовбурових клітин, загибелі клітин унаслідок апо птозу або зміни швидкості проліферації чи диференціації. (Зі змінами за N•7. МсСапЬу ві аі: Ароріовів іп (Не сіеувіортепґ о(іЬе іттипе зузіет: ^готіН (асґог5, сіопаї хіесііоп апсі ЬсІ-2, Сапсег Меіазіазіз Кеу 11:157, 1992) ГЛАВА 1 Клітина як одиниця здоров’я і хвороби потентними (рис. 1.20). ЕС-клітини можуть зберіга тися протягом тривалого періоду без диференцію вання; після цього відповідні умови культивування уможливлюють формування спеціалізованих клітин усіх трьох зародкових листків, включаючи нейрони, серцевий м'яз, гепатоцити і клітини острівців під шлункової залози. • С т овбу р ові клітини т канин (так звані дорослі стовбурові клітини) перебувають у тісному зв'язку з диференційованими клітинами цієї тканини. Вони зазвичай локалізуються у спеціалізованих тканин них мікросередовищах - нішах стовбурових клітин. Такі ніші було виявлено у багатьох органах, зокрема в кістковому мозку, де гемопоетичні (кровотворні) Тотипотентна стовбурова клітина Плюрипотентна стовбурова стовбурові клітини розміщуються в периваскулярній ніші. До інших ніш стовбурових клітин нале жать ділянка випинання волосяних фолікулів, кант рогівки, кишкові крипти, канали Герінга в печін ці й субвентрикулярна зона в головному мозку. Розчинні фактори та інші клітини всередині ніш утримують стовбурові клітини у стані спокою, доки не виникне необхідність розширення та диферен ціації пулу клітин-попередників (рис. 1.21). Дорослі стовбурові клітини мають обмежений пере лік диференційованих клітин, які вони можуть утвори ти. Отже, попри те що ці клітини здатні підтримувати тканини з високим (наприклад, шкіра і травний тракт) Мультипотентна Стовбурова клітина, комітованадо стовбурова клітина лініїклітин Диференційовані клітини Ендодєрмальні Мєзодермальні Ектодермальні Зигота Клітини острівців підшлункової залози * Гемопоетичні клітини Нейрони Кардіоміоцити Рис. 1 .2 0. Ем бріональні стовбурові кл іти н и . Зигота, утворена шляхом злиття сперматозоїда і яйцеклітини, ділиться із формування блас тоцисти, а внутрішня клітинна маса бластоцисти утворює ембріон. Плюрипотентні клітини внутрішньої клітинної маси, так звані ембріональні стовбурові (ЕС) клітини, можуть бути індуковані для диференціювання в клітини багатьох ліній. В ембріональний період плюрипотентні стов бурові клітини можуть асиметрично ділитися з утворенням залишкового стійкого пулу ЕС-клітин на додаток до формування популяцій, які мають обмежену здатність до розвитку, у результаті чого утворюються стовбурові клітини, прихильні до певних ліній. ЕС-клітини можуть бути культивовані іп уііго й індуковані для утворення клітин усіх трьох зародкових листків Волосина Стовбурові клітини епідермісу Келихоподібні клітини Абсорбувальні ентероцити Епідерміс Ентероендокринні клітини Дерма Випинання волося ного фолікула Стовбурові клітини випинання волося ного фолікула Кишкові ендокринні — клітини (стовбурові клітини) Клітини Панета Рис. 1 .2 1. Н іш і с то вбур ови х кліти н у р ізн и х т к а н и н а х : А - стовбурові клітини шкіри, розміщені в ділянці випинання волосяного фолікула, у сальних залозах та в нижньому шарі епідермісу. Б - стовбурові клітини тонкої кишки, які локалізуються поблизу основи крипт, розташованих над клітинами Панета. В - стовбурові клітини печінки (овальні клітини), розміщені в каналах Герінга ( товста стрілка): структури, які з’єднують жовчні протоки (тонка стрілка) із гепатоцитами. Клітини жовчних протоків і канали Герінга пофарбовані імуногістохімічними барвниками, що забезпечують виявлення фактору росту кератиноцитів, зокрема КСР-7. (В - надано Т. Яозкатв, /ИО, ііпіуепііу о(^еиVєп, ВеІ£Іит.) Підтримання популяцій клітин або низьким (наприклад, ендотелій) клітинним мета болізмом, у будь-якій тканині вони зазвичай утворю ють лише клітини, які є нормальними складниками зазначеної тканини. Гемопоетичні стовбурові клітини найбільше вивче ні й постійно замінюють усі формені елементи крові в міру їх старіння. їх можна виділити безпосередньо з кісткового мозку, а також із периферичної крові після введення певних колонієстимулювальних факторів (КСФ), які активують їх вивільнення із ніш кістко вого мозку. Іноді гемопоетичні стовбурові клітини можна очистити до фактичної однорідності на осно ві маркерів клітинної оболонки; у клінічній практиці їх застосовують для повторного заселення кісткового мозку, виснаженого хіміотерапією (наприклад, при лейкемії) або для забезпечення синтезу нормальних клітин-попередників для виправлення різноманітних дефектів клітин крові (наприклад, при серпоподібноклітинній анемії; глава 12). Окрім гемопоетичних стовбурових клітин кістко вий мозок та інші тканини (зокрема жирова) містять популяцію мезенхімальних стовбурових клітин - мультипотентних клітин, які здатні диференціюватися в різні стромальні клітини, включаючи хондроцити (хрящ), остеоцити (кістки), адипоцити (жирова тканина) та міоцити (м'язи). Оскільки ці клітини можуть розрос татися до великої кількості, вони являють собою потен ційний засіб формування стромальних будівельних блоків, необхідних для регенерації тканин. Регенеративна медицина Здатність ідентифікувати, ізолювати, збільшувати кількість стовбурових клітин і пересаджувати їх зумовила появу нової галузі - регенеративної меди цини. Теоретично, диференційоване потомство ЕСабо дорослих стовбурових клітин можна використати для повторного заселення уражених тканин або фор мування цілих органів для заміни. Зокрема, багатьох дослідників захошіює можливість терапевтичного від новлення ушкоджених тканин, які мають низьку реге нераційну здатність, таких як міокард після інфаркту або нейрони після інсульту. На жаль, незважаючи на поліпшення здатності очищати і збільшувати попу ляції стовбурових клітин, початковий ентузіазм був значною мірою загальмований труднощами, які вини кають при введенні та функціональному інтегруванні клітин-замінників в уражених ділянках. Зовсім нещодавно стало можливим створення плюрипотентних клітин, що нагадують ЕС-клітини, узя ті в пацієнта, якому їх імплантуватимуть. Для цього було виявлено декілька генів, продукти яких можуть чудово перепрограмовувати соматичні клітини, щоб досягти «стовбуровості» ЕС-клітин. Після введен ня таких генів у цілком диференційовані клітини Клітина пацієнта Гени стовбуровості Індуковані плюрипотентні стовбурові клітини Диференціація іп уііго і ---------------- — Ектодерма Мезодерма Ендодерма Рис. 1.22. у т в о р е н н я ін д у ко в а н и х п л ю р и п о те н тн и х стов б у р о в и х кл іти н (іГ ІС -к л іт и н ). Гени, які кодують властивості стовбурових клітин, уводять у диференційовані клітини пацієнта; це зумовлює утворення стовбурових клітин, які можуть бути індукова ні для диференціації у клітини різноманітних ліній. (Зі змінами за К. Носіїес]Ііп£ег, К. ]оеп/5с^і; Мисіеаг ІгапврІапШіоп, етЬгуопіс 5іет сеІІ$, апсі Фе роіепііаі [ог сеІІ Легару, N Еп§І ] Месі 349:275-286, 2003.) (наприклад, фібробласти) утворюються індуковані плюрипотентні стовбурові клітини (іПС-клітини, рис. 1.22), хоч і в невеликій кількості. Оскільки ці клітини взято в пацієнта, їх диференційовані потомки (напри клад, (3-клітини підшлункової залози у пацієнта із цукровим діабетом) можна імплантувати без ризику імунної реакції відторгнення, яка могла б розвинути ся, якщо диференційовані клітини були отримані з ЕС-клітин донора. РЕЗЮМЕ Цей огляд вибраних питань клітинної біології є осно вою для подальшого обговорення патологічних змін, і ми будемо звертатися до нього в усіх главах книги. Однак студенти повинні пам'ятати, що главу 1 зроб лено стислою навмисно, і більше інформації про дея кі цікаві теми, розглянуті тут, можна легко знайти в підручниках, присвячених клітинній і молекулярній біології. ГЛАВА 1 Клітина як одиниця здоров’я і хвороби РЕК О М ЕН Д О В А Н А Л ІТ ЕРА Т У РА Геном ВаНвІа Р.]. Ьоп§ попсосііп§ КИАз : сеііиіаг асісігезз сосіез іп сіеуеіортепі апсі сіізеазе / Р Т Вайзіа, Н.У. СЬап§ // СеІІ, 152:1298, 2013. [Хороший огляд біології довгих некодувальних РНК.] Сесії Т.К. ТЬе попсос1іп£ ККА геуоіиііоп ІгазЬіп§ оісі гиіез Іо Іог§е пе\у опез / Т.К. СесЬ, }.А. 5іеіІг // СеІІ, 157:77, 2014. [Відмінний огляд ролі некодувальних РНК.] НйЬпег М.К. СЬготайп ог§апІ2айоп апсі Ігапзсгірііопаі ге^иіаііоп / М.К. НйЬпег, М.А. Ескегзіеу-Мазііп, ОХ. Зресіог // Сигг Оріп Сепеї Оеу, 23:89, 2013. [Розглянуто організацію геному та спів відношення структура-функція хроматину, яка регулює ядерну транскрипцію, специфічну для кожного типу клітини.] ]агоі’сео$кі М. Ері§епеІіс т е с Ь а п ізт з іп пеигоіо§іс сіізеазе / М. Іагоусеузкі, 5. АкЬагіап // N81 Месі, 18:1194, 2012. [Добрий огляд організації геному та шляхів регулювання транскрипції; особливу увагу приділено неврологічним захворюванням.] Меііег У.Н. Мосіиіаііоп оГсЬготайпЬу попсосІіп§ КІ\’А / У.Н. Меііег, 5.5. ]озЬі, N. ОезЬрапсіе // Аппи Кеу Сепеї, 49:673,2015. [Чудовий огляд ролі некодувальних РНК в організації ядра.] Ері$епеІіс ге£иіайоп / ]. Міпагоуііз, Р. Вапай, К. 5гепіЬе еі аі. // Асіу Ехр Месі Віоі, 879:1, 2016. [Стисла базова інформація про регу лювання структури хроматину.] Кошіеу М.]. ТЬе іЬгее-сіітепзіопаі цепоте: ргіпсіріез апсі гоїез о( 1оп§-сіІ5Іапсе іпіегасйопз / М І. Коууіеу, У.С. Согсез / / Сигг Оріп СеІІ Віоі, 40:8, 2016. [Цікава дискусія щодо механізмів, за допомогою яких тривимірні конформації можуть впливати на транскрипцію ядра.] Терегіпо К. Вгісі§іп§ ері§епотісз апсі сотр іех сіізеазе: ІЬе Ьазісз / К. Терегіпо, А. Ьетргасії, ].А. Розрізііік // СеІІ Мої Ьііе 5сі, 70:1609, 2013. [Вступний огляд епігенетичних основ хвороб людини.] «Домашнє господарство» клітини Апіїегзьоп Е.К. ТЬе гоїе о£ епсіосуіозіз іп асйуайп§ апсі ге§иіайп§ зі§паі Ігапзсіисйоп / Е.К. Апсіегззоп // СеІІ Мої Ьііе 5сі, 69:1755, 2011. [Огляд ендоцитозу з особливою увагою до його ролі в модуляції внутрішньоклітинної сигналізації.] СНоі А.М. АиІорЬа§у іп Ь и тап ЬеаІіЬ апсі сіізеазе / А.М. СЬоі, 5.\У. Куіег, В. Ьеуіпе // N Еп£І ] Месі, 368:651, 2013. [Прекрасний огляд фізіологічних та патофізіологічних аспектів аутофагії.] Еп%1і$к А.К. РегірЬегаі ЕК зігисіиге апсі Іипсііоп / А.К. Еп§1ізЬ, N. 2игек, С.К. УоеІІг // Сигг Оріп СеІІ Віоі, 21:596, 2009. [Огляд структурної та функціональної організації ендоплазматичного ретикулуму та його зв'язок з іншими органелами.] СиіІІоі С. МесЬапісз о£ еріїЬеІіаІ Йззие Ь отеозіазіз апсі тогрЬо§епезіз / С. СиіІІоі:, Т. Ьесиіі // Зсіепсе, 340:1185, 2013. [Актуальна дискусія стосовно взаємодії клітин та механічної основи підтримання тканин.] Неіг С. Ргоіеозіазіз сопігоі Ьу ІЬе ипіоісіесі ргоіеіп гезропзе / С. Неіг, Е. СЬєуєі, 5.А. Оакез // N81 СеІІ Віоі, 17:829, 2015. [Механізми, що лежать в основі редагування ендоплазматичного ретикулуму та клітинного гомеостазу.] Каиг ]. АиІорЬа§у аі ІЬе сгоззгоасіз оі саІаЬоіізт апсі апаЬоіізт / ]. Каиг, }. ОеЬпаїЬ / / N84 Кеу Мої СеІІ Віоі, 16:461,2015. [Відмінний огляд механізмів і наслідків аутофагії]. Зітопв К. М етЬгапе ог^апігаїіоп апсі іірісі гаїїз / К. 5ітопз, ЇХ . 5 атр аіо // Соїсі 5ргіп§ НагЬ Регзресі Віоі, 3:1, 2013. [Непоганий огляд загальних принципів мембранної архітектури та, зокрема, організації домена.] 1Л/оп% Е. Іпіедгайоп оі сіеагапсе т е сЬ а п ізт з: ІЬе ргоіеазоше апсі аиІорЬа^у / Е. Моп§, А.М. Сиегуо // Соїсі 5ргіп§ НагЬ Регзресі Віоі, 2:1, 2010. [Огляд внутрішньоклітинних шляхів деградації, зокрема усунення аберантних або ненормальних компонентів.] Клітинний метаболізм і функції мітохондрій Атіегзеп ].Ь. ТЬе Іап§1есі сігсиіігу о£ т е їа Ь о Іізт апсі ароріозіз / ].Ь. Апсіегзеп, 5. КогпЬІиіЬ // Мої СеІІ, 49:399, 2013. [Грунтовний огляд взаємодії метаболізму, проліферації та загибелі клітин.] Оап% С.У. Ьіпкз Ьеіхл'ееп т е їа Ь о Іізт апсі сапсег / С У . Оапц // Сепез Оеу, 26:877, 2012. [Відмінний огляд метаболічних функцій мітохондрій.] Ргіейтап ].К. МіІосЬопсігіаІ Іо г т апсі Іипсііоп / І.К. Ргіесітап, ). Nиппа^і // № іиге, 505:335, 2014. [Хороший огляд реплікації мітохондрій та реакції на ушкодження клітин.] Таіі 5.У\7. МіІосЬопсІгіа апсі сеІІ сЗеаіЬ: оиіег т е тЬ га п е регтеаЬіііхайоп апй Ьеуопсі / 5 Ж . Таіі, О.К. Сгееп // N81 Кеу Мої СеІІ Віоі, 11:621, 2010. [Огляд ролі мітохондрій у процесі заги белі клітин.] Активація клітин Оигопіо К.]. 5і§па1іп§ раїЬшауз іЬаІ сопігоі сеІІ ргоіііегайоп / К.|. І У. Хіоп§ // Соїсі 5ргіп§ НагЬ Регзресі Віоі, 5:1, 2013. [Відмінний загальний огляд клітинної сигналізації та проліферації.] Моггізоп О.К. МАР кіпазе раїЬшауз / О.К. Моггізоп / / Соїсі 5ргіп§ НагЬ Регзресі Віоі, 4:1, 2012. [Огляд мітоген-активованих сигналь них шляхів кінази.] Регопа К. СеІІ 5І§па11іп§: §гоадіЬ Іасіогз апсі Іугозіпе кіпазе гесеріогз / К. Регопа // Сііп Тгапзі Опсоі, 8:77, 2011. [Огляд сиг нальних шляхів з акцентом на те, як вони стають дисрегульованими при злоякісних захворюваннях.] Підтримання популяцій клітин АІоатсіо А.5. КеіЬіпкіп§ сіііїегепйайоп: з іе т сеііз, ге§епегайоп, апсі ріазйсіїу / А.5. Аіуагасіо, 5. У атапака // СеІІ, 157:110, 2014. РисНв Е. А т а їїе г о{ Іііе апсі сіеаіЬ: зеїі-гепешаі іп з іе т сеііз / Е. РисЬз, Т. СЬеп // ЕМВО Кер, 14:39, 2013. [Науковий огляд концептуальної основи та експериментального підґрунтя розуміння процесів віднов лення стовбурових клітин на прикладі стовбурових клітин шкіри.] Ьі М. № уі§айп§ ІЬе ері§епейс іапсізсаре оі ріигіроіепі зіепі сеііз / М. Ьі, С.Н. Ьіи, ].С. Ігрізиа-Веішопіе // № 1 Кеу Мої СеІІ Віоі, 13:524, 2012. [Обговорення епігенетичної регуляції проліферації стовбурових клітин та подальшої диференціації.] Магіеііо С. ТЬе паїиге оі етЬгуопіс з іе т сеііз / С. Магіеііо, А. 5 т ііЬ // Аппи Кєу СеІІ Оеу Віоі, 30:647, 2014. [Всеосяжний огляд клітинної пластичності та стовбуровості.] Г Л А В А Ушкодження клітини, загибель клітини та адаптація основний зміст Вступ до патології 31 Механізми уш кодж ення і загибелі О п и с реакції клітини на стрес і шкідливі ч и нн ики 31 32 Послідовні етапи уш кодж ення і загибелі клітини 33 34 Аутофагія токсинами 44 38 Запалення 40 41 48 48 49 50 Метаплазія 51 В нутріш ньоклітинні включення 45 Ушкодження А Н К Інші шляхи загибелі клітини Гіперплазія Атрофія 43 Патологічна кальцифікація Стрес ендоплазматичного ретикулуму 35 Апоптоз 42 Ішемічно-реперфузійне ушкодження Ушкодження клітин, спричинене Оборотне ушкодження клітини Некроз Гіпертрофія Оксидантний стрес 33 Адаптація клітини до стресу 41 Гіпоксія та ішемія П ричини уш кодж ення клітини Загибель клітини клітини 46 Старіння клітин 52 54 55 47 47 Загальні етапи ушкодження клітин з різноманітних причин в с т у п ДО ПАТОЛОГІЇ Патологія як наука присвячена розумінню причин захворювання та змін у клітинах, тканинах й органах, які пов'язані із захворюванням і дають поштовх для розвитку суб'єктивних та об'єктивних симптомів у пацієнтів. Є два важливі терміни, які студенти зустріча ють під час вивчення патології та медицини: • Етіологія, що визначає основні причини і моди фікаційні чинники, які відповідають за початок та прогресування хвороби. Тепер ясно, що багато поширених захворювань, таких як артеріальна гіпер тензія, цукровий діабет і рак, зумовлені поєднанням спадкової генетичної схильності та різноманітних екологічних тригерів. Висвітлення генетичних та екологічних чинників, що лежать в основі захворю вань, є основною темою сучасної медицини. • П ат огенез, який вивчає механізми розвитку та про гресування захворювання, що зумовлюють клітинні й молекулярні зміни; останні слугують причинами специфічних функціональних та структурних від хилень, що характеризують будь-яку конкретну хворобу. Отже, етіологія відповідає на питання, чому виникає захворювання, а патогенез описує розвиток захворювання (рис. 2.1). Визначення етіології та патогенезу захворювання потрібне не тільки для розуміння хвороби, але також є основою для розроблення раціонального лікування 47 й ефективних профілактичних заходів. Таким чином, патологія забезпечує наукове обгрунтування медичної практики. Для встановлення діагнозу та проведення лікуван ня в клінічній практиці патологи виявляють зміни макро- або мікроскопічної будови (морфології) клітин і тканин, а також біохімічні зміни в рідинах організму (таких як кров і сеча). Патологи ще використовують різ номанітні морфологічні, молекулярні та інші методи визначення біохімічних, структурних і функціональ них змін, які відбуваються в клітинах, тканинах й орга нах у відповідь на травму. У цій главі ми починаємо обговорення клітинних аномалій, спричинених різни ми внутрішніми (наприклад, генетичними) і зовнішні ми (наприклад, екологічними) чинниками та стресом. ОПИС РЕАКЦІЇ КЛІТИНИ НА СТРЕС І ШКІДЛИВІ ЧИННИКИ Клітини активно взаємодіють із навколишнім сере довищем, постійно коригуючи свою структуру та функції, щоб відповідати мінливим вимогам і поза клітинним стресам. Внутрішньоклітинне середовище зазвичай залишається доволі постійним; такий стан називають гомеостазом. Коли клітини зазнають фізіо логічного стресу (наприклад, надмірне навантаження на серце) або впливу потенційно шкідливих умов (наприклад, дефіцит поживних речовин), вони можуть 32 ГЛАВА 2 Ушкодження клітини, загибель клітини та адаптація Імунні Генетичні розлади Б іохім ічні___ ^ зміни ПАТОГЕНЕЗ: МЕХАНІЗМИ ХВОРОБИ Харчовий 1 ^ ___ Структурні зміни імунні реакції. Загибель клітини також є нормальним і необхідним процесом ембріогенезу, розвитку органів та підтримання тканинного гомеостазу. Оскільки ушкодження клітин лежить в основі всіх хвороб, у цій главі ми вперше обговорюємо причини, механізми й наслідки різних форм гострого ушкоджен ня клітин, включаючи оборотні ушкодження та заги бель клітини. Далі ми розглянемо механізми адаптації клітин до стресу і завершимо двома іншими процеса ми, які впливають на клітини й тканини: накопичення аномальних речовин та старіння клітин. ПРИЧИНИ УШКОДЖЕННЯ к л іт и н и Рис. 2 .1 . Етапи р о з в и тку х в о р о б и . Наведено лише деякі основні причини (етіологічні чинники) пройти адапт ац ію , досягаючи нового стабільного стану та зберігаючи життєздатність і функції. Якщо адаптивна здатність перевищена або якщо зовнішній стрес за своєю природою є шкідливим чи надмірним, розвивається уш кодж ення кліт ин (рис. 2.2). у певних межах травма оборотна, і клітини повертаються до ста більних вихідних умов; однак якщо стрес є сильним, стійким або швидко розвивається, це призводить до необоротного ушкодження та загибелі уражених клітин. Загибель клітини - один із найважливіших етапів в еволюції хвороби у будь-якій тканині чи органі. Це зумовлено різноманітними причинами, включаючи ішемію (порушення кровотоку), інфекції, токсини й НОРМАЛЬНА КЛІТИНА (гомеостаз) __ _____ ___ Ушкоджувальний чинник ОБОРОТНЕ УШКОДЖЕННЯ ________ __.______ Тяжке, прогресивне ушкодження НЕОБОРОТНЕ УШКОДЖЕННЯ __і______і________ НЕКРОЗ ЗАГИБЕЛЬ КЛІТИНИ АПОПТОЗ ______________ Рис. 2 .2 . П осл ід овність о б о р о тн о го у ш к о д ж е н н я т а з а г и б е лі кл іти н и . Некроз й апоптоз е основними шляхами загибелі клітини і детально обговорюються далі Причини ушкодження клітини варіюють від значної фізичної травми, наприклад, після аварії на транспор ті, до дефекту одного гена, що призводить до втрати функції ферменту при специфічному метаболічному захворюванні. Більшість шкідливих чинників можна розділити на такі категорії. Гіпоксія та ішемія. Гіпоксія (дефіцит кисню) й іше мія (недостатнє кровопостачання) - найпоширеніші причини ушкодження клітин. Обидва чинники позбав ляють тканини кисню, а ішемія, окрім того, призводить до дефіциту необхідних поживних речовин і накопи чення токсичних метаболітів. Найчастішою причиною гіпоксії є ішемія, що виникає внаслідок закупорки артерій; дефіцит кисню також може бути результатом неадекватної оксигенації крові, наприклад, при різно манітних захворюваннях легень, або зниження здат ності крові переносити кисень, наприклад, при анемії будь-якої етіології або отруєнні оксидом вуглецю (СО). Токсини. Потенційно токсичні речовини є постій ними компонентами довкілля; до них належать забруд нювачі повітря, інсектициди, СО, азбест, сигаретний дим, етанол та медикаменти. Багато лікарських пре паратів у терапевтичних дозах можуть призвести до ушкодження клітин або тканин у сприйнятливого пацієнта або у багатьох людей, якщо їх застосування є надмірним чи невідповідним (глава 7). Навіть небез печні речовини, такі як глюкоза, кухонна сіль, вода та кисень, можуть бути токсичними. Збудники інфекцій. Усі типи хвороботворних патогенів, включаючи віруси, бактерії, грибки і найпростіші, ушкоджують клітини. Механізми ушкодження клітин, спричинені цими збудниками, розглянуто в главі 9. Імунні реакції. Хоча імунна система захищає орга нізм від патогенних мікробів, імунні реакції також можуть призвести до ушкодження клітин і тканин. Прикладами є аутоімунні реакції проти власних тка нин, алергійні реакції на речовини навколишнього середовища й надмірні або хронічні імунні реакції на інфекційні агенти (глава 5). У всіх цих ситуаціях імунні реакції спричинюють запалення, яке часто призводить до ушкодження клітин і тканин. Генетичні аномалії. Хромосомні аберації можуть зумовити різноманітні патологічні зміни: помітні (при роджені вади розвитку, пов'язані із синдромом Дауна) або неявні (наприклад, заміщення однієї амінокислоти в гемоглобіні, що зумовлює серпоподібно-клітинну ане мію; глава 7). Дефекти генів можуть спричинити ушко дження клітин як наслідок дефіциту функціональних білків, таких як ферменти (у разі природжених метабо- Послідовні етапи ушкодження і загибелі клітини І пічних розладів), або накопичення ушкоджених ДНК чи неправильно зібраних білків; ці чинники призводять до загибелі клітин, якщо вони не піддаються регенерації. Незбалансоване харчування. Недостатній уміст білків та низька енергетична цінність раціону бідних верств населення залишається основною причиною ушкодження клітин, а специфічний дефіцит вітамінів не є рідкісним навіть у розвинених країнах із високим рівнем життя (глава 8). За іронією долі, надмірне спо живання їжі може призвести до ожиріння, а також слу гує важливою причиною багатьох захворювань, таких як цукровий діабет 2-го типу й атеросклероз. Фізичні чинники. Травма, екстремальна темпера тура довкілля, радіація, ураження електричним стру мом та різкі зміни атмосферного тиску справляють різноманітний вплив на клітини (глава 8). Старіння. Унаслідок старіння знижується здатність клітин реагувати на стрес і, урешті-решт, відбувається загибель клітин й організму. Механізми, що лежать в основі старіння клітин, розглянуто наприкінці цієї глави. Після такого вступу ми перейдемо до обговорен ня етапів прогресування та морфологічних проявів ушкодження клітин, а потім - до біохімічних механіз мів ушкодження, спричиненого різними шкідливими чинниками. ПОСЛІДОВНІ ЕТАПИ УШКОДЖЕННЯ І ЗАГИБЕЛІ КЛІТИНИ Хоча різні шкідливі чинники ушкоджують клітини за допомогою різноманітних біохімічних механізмів, усі вони зумовлюють стереотипну послідовність морфо логічних та структурних змін у більшості типів клітин. Оборотне ушкодження • Ж ирові зміни проявляються утворенням у цитоплазмі ліпідних вакуолей, щ о містять тригліцериди. П ереважно це характерно для органів, які беруть участь в обміні ліпідів, на приклад печінки, і том у обговорю ється у главі 16. Цитоплазма уш код ж ених клітин також може ставати червоніш ою (еозинофільною); ця зміна дуже виражена в разі прогресування до некрозу (див. далі). Інші внутрішньоклітинні зміни, пов’язані з уш кодженням клітин (див. рис. 2.3), включають: ( 1) зміни плаз матичної мембрани, зокрема утворення вакуолей, згладжування або спотворення мікроворсинок, розпушування міжклітинної тканини; (2) зміни мітохондрій, такі як набряк й утворення ба гатих на фосфоліпіди аморфних згущень; (3) розширення ЕР з відривом рибосом та дисоціацією полісом; (4) зміни ядер, зок рема скупчення хроматину. Цитоплазма може містити «фігури мієліну» - скупчення фосфоліпідів, які нагадують мієлінову о б о лонку; це частини уш код ж ених клітинних оболонок. НОРМАЛЬНА КЛІТИНА Оборотне ушкодження Відновлення Набряк ендоплазма тичного ретикулуму та мітохондрій КЛ ІТ И Н И Оборотне ушкодження - це етап, протягом якого функція та морфологія ушкоджених клітин можуть нормалізуватися, якщо зникне руйнівний чинник (рис. 2.3). Внутрішньоклітинні органели зазвичай набрякають, оскільки накопичують воду внаслідок порушення функції енергозалежних йонних насосів у плазматичній мембрані, що призводить до немож ливості підтримувати йонний та рідинний гомеостаз. При деяких формах ушкодження дегенеративні орга нели і ліпіди можуть накопичуватися всередині ушко джених клітин. Мембранозв'язані везикули Розпад плазматичної мембрани, органел, ядра; витікання вмісту клітини М О Р Ф О Л О Г ІЯ Два о сновних м орф ологічних прояви о б о р о тн о го уш кодж ення клітини - це набряк клітин і ж ирові зміни. • Набряк клітин (рис. 2.4, Б) зазвичай спостерігається при ушкодженні, зумовленому підвищ еною проникністю плазма тичної мембрани. Це важко оцінити за д о по м о го ю світлового НЕКРОЗ мікроскопа, але його часто виявляють у всіх тканинах органа. Якщ о набряк охоплю є більшість клітин, виникають блідість (унаслідок стискання капілярів), посилення тургору і збільшен ня маси органа. М ікроскопія може виявити малі прозорі ваку олі всередині цитоплазми; це розтягнуті й защемлені сегменти ЕР. Таку картину нелегального уш кодження іноді називають гідропічною зміною, або вакуолярною дегенерацією. Аморфні згущення у мітохондріях Рис. 2.3. О б о р о т н е у ш к о д ж е н н я кл іти н и і н е кр о з. Проілюстровано основні зміни, які характеризують оборотне ушкод ження клітини та некроз. Згідно із загальною думкою, оборотне ушкодження завершується некрозом, якщо ушкоджувальний чинник не видаляється ГЛАВА 2 Ушкодження клітини, загибель клітини та адаптація Рис. 2 .4 . М ор ф о л огіч ні зм ін и п ри о б о р о тн о м у т а н е о б о р о т н о м у у ш к о д ж е н н і кл іти н и (н е к р о з ): А - нормальні ниркові канальці із життєздатними епітеліальними клітинами. 6 - рання (оборотна) ішемія із везикулами на плазматичній мембрані, посиленням еозинофіли цитоплаз ми та набряку окремих клітин. В - некротичне (необоротне) ушкодження епітеліальних клітин із втратою ядер, фрагментацією клітин і витіканням умісту. (З архіву йгз N. РіпскагсІ і /VI.А. УепкаіасНаїат, ііпіуєгзіїу о(Техав НеаІїН Зсіепсев Сепіег, 5ап Апіопіо, Техаз.) У деяких ситуаціях потенційно шкідливі ушко дження спричиняють специфічні зміни в органелах, таких як ЕР. Гладкий ЕР бере участь у метаболізмі різних хімічних речовин; у клітинах, що піддаються впливу цих речовин, відбувається гіпертрофія ЕР як адаптивна відповідь, яка може зумовлювати важливі функціональні наслідки. Наприклад, багато лікар ських засобів, зокрема барбітурати, які раніше засто совували як седативні засоби й дотепер призначають для лікування деяких форм епілепсії, метаболізуються в печінці за допомогою змішаної функції оксидази системи цитохрому Р450, яка локалізується у гладкому ЕР. Тривале застосування барбітуратів призводить до резистентності, що потребує підвищення дози препа рату для досягнення такого самого ефекту. Ця адапта ція зумовлена гіпертрофією гладкого ЕР гепатоцитів і, як наслідок, підвищенням ферментативної активності цитохрому Р450. Р450-опоєередкована модифікація сполук іноді зумовлює детоксикацію, але в інших випадках перетворює їх на небезпечний токсин; одним із таких прикладів є тетрахлорид вуглецю (СС14), що обговорюється далі. Клітини, пристосовані до дії одно го препарату, демонструють підвищену здатність метаболізувати інші сполуки, оброблені тією самою системою. Наприклад, якщо пацієнти, які вживають фенобарбітал при епілепсії, збільшують частоту спо живання спиртних напоїв, у них можливе зниження концентрації в крові протиепілептичних препаратів до субтерапевтичних рівнів через гіпертрофію гладкого ЕР у відповідь на дію алкоголю. При постійній або надмірній дії шкідливих чин ників ушкоджені клітини проходять «точку неповер нення» і гинуть. Клінічна значущість «точки неповер нення» очевидна - якщо будуть виявлені біохімічні й молекулярні зміни, що прогнозують загибель клітин, то можна розробити стратегії запобігання необоротно му ушкодженню клітини. Хоча немає остаточних мор фологічних чи біохімічних критеріїв необоротності, вона обов'язково характеризується трьома ознаками: неможливістю відновлення функції мітохондрій (окисне фосфорилювання і генерація АТФ навіть після розрішення первинної травми; порушення структури та функцій плазматичної мембрани і внутрішньоклітинних мембран; втрата структурної цілості ДНК і хромати ну. Ушкодження лізосомальних мембран (яке більш детально описано далі) призводить до ферментатив ного розщеплення ушкодженої клітини, що є кульмі нацією некрозу. Загибель клітини Механізми загибелі ушкоджених клітин різні й зале жать від характеру і тяжкості ураження. • Тяжкі порушення, такі як втрата кисню та пожив них речовин і дія токсинів, спричинюють швидку й неконтрольовану форму загибелі клітини, яку називають «випадковою». Морфологічним про явом є н екроз (від грец. пекгоз - смерть; табл. 2.1). Це основний шлях загибелі клітин у більшості випадків ушкодження, які виникають унаслідок ішемії, дії токсинів, впливу різних інфекцій і травм. Таблиця 2.1. Ознаки некрозу та апоптозу Ознака Н екроз Апоптоз Розмір клітини Збільшений (набряк) Зменшений (зморщування) Ядро Пікноз —►каріорексис —►каріолізис Фрагментація на частинки розміром як нуклеосома Плазматична мембрана Порушена Ціла; зміна структури, особли во орієнтації ліпідів Уміст клітини Ферментативне травлення; може ви вільнятися із клітини Не порушений; може виділяти ся в апоптичних тільцях Запалення прилеглих ділянок Часто Немає Фізіологічна або патологіч на роль Тільки патологічна (кульмінація необо ротного ушкоджен ня клітини) Часто є фізіологічним спо собом усунення небажаних клітин; може бути патоло гічною після деяких форм ушкодження клітин, особливо ушкодження ДНК і білка Послідовні етапи ушкодження і загибелі клітини ] Некроз традиційно вважають неминучим кінцевим результатом тяжкого ушкодження, яке неможли во відновити і яке не регулюється специфічними сигналами або біохімічними механізмами; іншими словами, некроз розвивається випадково, оскільки травма надто сильна, щоб підлягати відновленню, і багато органел просто не можуть функціонувати або руйнуються. • На відміну від цього, якщо травма є менш тяжкою або клітини необхідно знищити під час фізіологіч них процесів, вони активують каскад молекулярних механізмів, що завершуються загибеллю. Оскільки цей механізм загибелі клітини можна контролю вати за допомогою лікувальних заходів або гене тичних мутацій, його вважають «регульованим». Морфологічним проявом більшості типів запрогра мованої загибелі клітини є апопт оз (див. табл. 2.1). У деяких випадках запрограмована загибель клітин демонструє ознаки як некрозу, так й апоптозу, і називається некроптозом. Відкриття механізмів, що регулюються генами, які можна ідентифікувати, та сигнальними пшяхами, показало, що загибель клі тини може бути контрольованим процесом. Гіпотеза запрограмованої загибелі клітин також уможливлює терапевтичне керування специфічними молекуляр ними механізмами з метою запобігти ушкодженню клітин у патологічних умовах. Апоптоз - це процес, який усуває клітини із внутрішніми аномаліями та сприяє видаленню фрагментів мертвих клітин, не спричиняючи запальної реакції. Ця «чиста» фор ма самогубства клітин відбувається в патологічних ситуаціях, коли ДНК або білки клітини ушко джені й не підлягають відновленню, або клітина позбавлена необхідних засобів виживання. Однак на відміну від некрозу, який завжди є ознакою патологічного процесу, апоптоз також виникає у здорових тканинах. Він забезпечує позбавлення від небажаних клітин під час нормального розвитку та підтримання постійної кількості клітин, отже, не обов'язково пов'язаний із патологічним ушкоджен ням клітин. Цей тип фізіологічної загибелі клітин також називають запрограмованою загибеллю клітин. Важливо зазначити, що клітина може втрати ти свою функцію задовго до власної загибелі і що морфологічні зміни внаслідок ушкодження (або загибелі) клітин виникають значно пізніше, ніж порушення функції та життєздатності (рис. 2.5). Наприклад, клітини міокарда перестають скорочува тися через 1-2 хв від початку ішемії, але залишаються життєздатними ще 20-30 хв після того, як ішемія зни кла. Морфологічні ознаки, що свідчать про загибель ішемічних міоцитів, виявляють за допомогою електро нної мікроскопії протягом 2-3 год після їх загибелі, але вони не візуалізуються під час світлової мікроскопії ще 6-12 год. Рос. 2.5. С п ів в ід н о ш е н н я ф у н к ц ії кл іти н и , загибел і кл іти ни т а м о р ф о л о гіч н и х зм ін уна с л ід о к у ш к о д ж е н н я . Зверніть увагу, що клітини можуть швидко стати нефункціональними після ушкодження, хоча вони все ще є життєздатними, із потенційно о бо ротним ушкодженням; у разі тривалішої травми можливі необоротне ушкодження і загибель клітини. Зазначимо також, що загибель клітини зазвичай передує ультраструктурним, мікроскопічним і макроморфологічним змінам них із мертвих клітин, і слугує для усунення відходів та початку процесу подальшого відновлення (глава 3). Ферменти, що відповідають за перетравлення клітини, містяться у лізосомах і можуть надходити від самих клі тин, що гинуть, або від лейкоцитів - складників запаль ної реакції. Некроз часто є кульмінацією необоротного ушкодження клітини, яке неможливо виправити. Біохімічні механізми некрозу варіюють залежно від характеру шкідливого чинника. До них належать: неспроможність вироблення енергії у вигляді АТФ через недостатнє надходження кисню або ушкодження мітохондрій; ушкодження клітинних оболонок, вклю чаючи плазматичну мембрану та лізосомальні мембра ни, результатом чого є вивільнення клітинного вмісту, зокрема ферментів; необоротне ушкодження клітин них ліпідів, білків і нуклеїнових кислот, яке може бути спричинене активними формами кисню (АФК), тощо. Ці біохімічні механізми ми обговоримо пізніше, коли розглядатимемо окремі причини некрозу клітин. у МОРФОЛОГІЯ Н екроз характеризується змінами в цитоплазмі та ядрі у ш ко д ж е н их клітин (див. рис. 2.3 і 2.4, В). • Зміни цитоплазми. В ураж ених клітинах спостерігається посилена еозинофілія (то бто вони забарвлюються у черво ний колір барвником еозином - позначається літерою Е в на зві барвника гематоксиліну й еозину [Н & Е ]), щ о частково зу мовлено посиленим зв'язуванням еозину із денатурованими білками цитоплазми, а частково - втратою базофільної р и Некроз Некроз - форма загибелі клітини, при якій плазма тична мембрана руйнується, а вивільнені ферменти врешті-решт перетравлюють її (див. рис. 2.3). Некроз призводить до місцевої реакції, яку називають запален ням,; вона розвивається за допомогою речовин, виділе- бонуклеїнової кислоти (РНК) у цитоплазмі (базофілія вини кає внаслідок зв’язування син ьо го барвника гематоксиліну літера Н у «Н&Е»). П орівняно із життєздатними клітинами уражена клітина може нагадувати скляну пластину, мати од норід ний вигляд (переважно через втрату більш світлих час т и н о к глікогену). Мієлінові тільця більше виражені в не кр о т и ч н и х клітинах, ніж у клітинах з о бо р о тним уш кодженням. 36 ГЛАВА 2 Ушкодження клітини, загибель клітини та адаптація Після того як ферменти перетравили органели, цитоплазма міцну текстуру. Мабуть, травма спричиню є денатурацію не стає вакуолізованою, наче «з'їдена міллю». Електронна мікро тільки стр уктур н их білків, а й ферментів, тим самим блоку скопія некротичних клітин виявляє розриви цитоплазми та ю чи протеоліз мертвих клітин; у результаті еозинофільні мембран органел, виражене розширення мітохондрій, зумовле без’ядерні клітини можуть зберігатися протягом кількох днів не появою великих аморфних згущень, порушенням структури або тижнів. Л е й ко ц и ти надходять у вогнищ е некрозу, і мерт лізосом та внутрішньоцитоплазматичних мієлінових тілець. • З м ін и я д е р . Ці зміни відбуваються за одним із тр ьо х ме ві клітини вреш ті-реш т перетравлюються за рахунок дії їхніх лізосомальних ферментів. Частини клітин потім видаляються ханізмів, щ о виникають унаслідок розпаду Д Н К і хроматину. шляхом фагоцитозу, опосередкованого насамперед інфіль П ік н о з характеризується зморщуванням ядра та посиленою трацією нейтрофілів і макрофагів. Коагуляційний некроз ха базофілією; Д Н К рактерний для інфарктів (вогнищ некрозу, спричинених іше конденсується у темну зморщ ену масу. Також можлива фрагментація п ікн о ти ч н о го ядра - к а р іо - мією) у всіх паренхіматозних органах, окрім головного мозку. р е к с и с . Уреш ті-реш т, ядро може зазнати к а р іо л із и с у , при • К о л ік в а ц ій н и й (розріджений) н е к р о з спостерігається при якому базофілія зникає внаслідок перетравлення Д Н К дезок- локалізованих бактеріальних та, інколи, грибкових інфекці сирибонуклеазою (Д Н Ка зо ю ). Через 1 -2 дні ядро мертвої ях, оскільки мікроорганізми зумовлюють швидке накопичен клітини може повністю зникнути. ня запальних клітин, а ферменти лейкоцитів перетравлюють • З м ін и н е к р о т и ч н и х к л іт и н . Вони можуть зберігатися («розріджують») тканини. Із незрозумілих причин гіпоксична протягом певного часу або перетравлюються ферментами і загибель клітин у центральній нервовій системі (Ц Н С ) часто зникають. Можлива заміна мертвих клітин мієліновими тіль слугує п р ичино ю колікваційного некрозу (рис. 2.7). Незалежно цями, які або фагоцитуються інш ими клітинами, або деграду від патогенезу мертві клітини повністю перетравлюються, пе ють у ж ир ні кислоти; останні зв’язують солі кальцію, щ о може ретворю ю чи тканину на в'язку рідину, яка врешті-решт вида призвести до кальцифікації мертвих клітин. ляється фагоцитами. Я кщ о процес ініціюється гострим запа ленням, як при бактеріальній інфекції, матеріал часто набуває кремово-ж овтого забарвлення і називається гноєм (глава 3). М орф ологічні т ипи некрозу т канин У тяжких патологічних умовах великі ділянки ткани ни або навіть цілі органи можуть зазнавати некрозу. Причиною цього можуть стати виражена ішемія, інфекції та певні запальні реакції. Існує кілька морфо логічних типів некрозу тканин, що залежать від етіоло гії. Хоча терміни, які описують ці типи, не відобража ють основні механізми, їх широко використовують та розуміють патологи і медичні працівники. • Незважаючи на те щ о г а н г р е н о з н и й н е к р о з не є основ ним механізмом загибелі клітин, цей термін усе ще ш и ро ко використовую ть у клінічній практиці. Він зазвичай стосується стану кінцівки (як правило, ни ж ньої частини ноги), в якій уна слідок п о р уш е но го кровопостачання розвинувся коагуляцій ний некроз, щ о охоплю є кілька шарів тканини. У разі приєд нання бактеріальної інфекції морф ологічний тип змінюється на колікваційний некроз через наявність деструктивних бак терій і мобілізованих лейкоцитів (унаслідок чо го розвиваєть ся так звана волога гангрена). • К а з е о з н и й н е к р о з найчастіше трапляється у вогнищ ах Р ) М О Р Ф О Л О Г ІЯ туберкульозної інфекції. Казеозний означає «схож ий на сир», щ о стосується п ухко го ж о вто -б іло го вигляду ділянки некрозу, описа них нижче, мають чіткі м акроско некрозу під час м акр о ско п ічно го дослідження (рис. 2.8). П ри пічні ознаки; винятком є ф ібриноїдний некроз, який виявляють м ікро скоп ічн ом у дослідженні вогнищ а некрозу виявляють лише під час гістол огічного дослідження. скупчення ф рагментованих або розчине н их клітин з аморф Б і л ь ш і с т ь т и п ів • К о а г у л я ц ій н и й н е к р о з - ти п некрозу, при якому основна но ю гранульованою рож евою цитоплазмою при фарбуванні структура тканини зберігається принаймні протягом кількох тканин гематоксиліном й еозином. На відміну від коагуля- днів після загибелі клітин (рис. 2.6). У ражені тканини мають ц ій н о го некрозу, структура тканини повністю зруйнована, Рис. 2 .6 . К о а гу л я ц ій н и й н е кр о з: А - клиноподібний інфаркт нирки (жовтого кольору) зі збереженням контурів. Б - мікроскопічний вигляд краю інфаркту за наявності нормальних (1) і некротичних клітин в ураженій ділянці інфаркту (2). Контури некротичних клітин збережені, ядер немає, видно запальний інфільтрат (важко розпізнати при цьому збільшенні) Послідовні етапи ушкодження і загибелі клітини Рис. 2 .7 . Ко л ікв а ц ій н и й н е к р о з. Інфаркт мозку із розплавленням тканини Рис. 2 .8 . К а з е о з н и й н е к р о з. Туберкульоз легені з великою пло щею казеозного некрозу, що містить жовтувато-білі (сирнисті) про дукти розпаду і контури клітин не можна розрізнити. Вогнищ е казеозного некрозу часто оточене макрофагами та інш ими запальними клітинами; такий вигляд характерний для вузлового запаль но го ураження, яке називають гранульомою (глава 3). • Ж ировий некроз - руйнування фокальних ділянок ж и р о вих клітин, яке зазвичай виникає внаслідок вивільнення акти вованих панкреатичних ліпаз у тканину підш лункової залози й очеревинну порож нину. Ц е трапляється при гострій ката строфі у черевній пор ож ни ні, такій як гострий панкреатит (глава 17). П ри цьому панкреатичні ферменти, які вивільни лися з ацинарних клітин і протоків, розріджую ть мембрани ж ир о вих клітин в очеревині, а ліпази розщ еплю ю ть ефіри тригліцеридів, щ о містяться у ж ир о ви х клітинах. Виділені ж ирні кислоти з’єднуються із кальцієм й утворю ю ть м акро с ко п ічно видимі «крейдяні» ділянки (сапоніфікація жирів), щ о дає зм огу хір ур гу і патологоанатому визначити уражену ділянку (рис. 2.9). П ід час гістол огічного дослідження во гн и ща некрозу містять ко нтури не кр о тичн их ж ир о ви х клітин, оточені базофільними відкладеннями кальцію та запальними клітинами. Рис. 2 .9 . Ж и р о в и й н е к р о з при го с тр о м у п а н кр е а т и ті. «Крейдяні» ділянки - це вогнища жирового некрозу з утворенням МИЛ кальцію (омилення) у ділянках розпаду ліпідів у брижі • Ф ібриноїдний некроз - особливий тип некрозу. Як пра вило, він розвивається при ім унних реакціях, в яких комплек си антиген-антитіло осідають у стінках кр о во н осн и х судин, але також може виникати при тяж кій артеріальній гіпертензії. Виділені імунні комплекси та білки плазми, щ о вивільняються у стінку уш код ж е них судин, зумовлюють яскраво-рожевий аморфний вигляд препаратів, забарвлених гематоксиліном й еозином, які патологоанатоми називають фібриноїдними (ф ібриноподібними; рис. 2.10). Імунні захворювання (напри клад, вузликовий поліартеріїт), при яких спостерігається цей тип некрозу, описано в главі 5. Вивільнення внутрішньоклітинних білків через ушкоджену плазматичну мембрану у кровоносне русло дає змогу виявити специфічний некроз тка нин за допомогою зразків крові або її сироватки. Серцевий м'яз, наприклад, містить унікальну ізоформу ферменту креатинкінази та скоротливого білка тропоніну, тоді як печінковий епітелій жовчних шля хів містить фермент лужну фосфатазу, а гепатоцити - Рис. 2 .1 0 . Ф іб р и н о їд н и й н е кр о з а р т е р ії при вузли ков о м у п о л іа р те р іїті. У стінці артерії видно круглясте яскраво-рожеве вог нище некрозу з осадженням білка та запаленням 38 ГЛАВА 2 Ушкодження клітини, загибель клітини та адаптація трансамінази. Необоротні ушкодження та загибель клітин у цих тканинах підвищують рівень ферментів у сироватці крові, що робить їх діагностичними мар керами ушкодження тканин. Апоптоз Апоптоз - механізм загибелі клітин, за допомогою якого клітини активують ферменти, що розщеплю ють власну ДНК та ядерні й цитоплазматичні білки (рис. 2.11). Фрагменти апоптичних клітин потім розри ваються, набуваючи зовнішнього вигляду, який визна чає назву (апоптоз, тобто розпад). Плазматична мемб рана апоптичної клітини залишається незміненою, тоді як мембрана органел змінюється так, що фрагменти, які називають апоптичними тільцями, стають надзвичайно «їстівними», призводячи до швидкого захоплення їх фагоцитами. Мертва клітина та її фрагменти видаля ються з незначним вивільненням клітинного вмісту, НОРМАЛЬНА КЛІТИНА Конденсація хроматину тому запальна реакція не розвивається. Отже, апоптоз значно відрізняється від некрозу (див. табл. 2.1). П р и ч и н и апопт озу Апоптоз характерний для багатьох фізіологічних про цесів і забезпечує усунення потенційно шкідливих клі тин і клітин, які перестали бути корисними (табл. 2.2). Також він розвивається як патологічна подія, коли клі тини ушкоджені, особливо якщо ушкодження впливає на ДНК чи білки клітини; у такий спосіб знищується необоротно ушкоджена клітина. • Ф ізіологічний апопт оз. У процесі нормального розвитку організму деякі клітини гинуть і замі нюються новими. Для високопроліферативних та гормонально активних тканин зрілого організму характерні цикли проліферації та загибелі клітин, які часто визначаються рівнем факторів росту. У таких випадках загибель клітин завжди відбуваєть ся шляхом апоптозу, який гарантує, що небажані клітини видаляються без виникнення потенційно шкідливого запалення. В імунній системі апоптоз усуває надлишок лейкоцитів, що залишаються наприкінці імунних реакцій, а також лімфоцити, які розпізнають власні антигени і можуть призвести до розвитку аутоімунних захворювань, якщо від них не позбавитися. • А попт оз при пат ологічних станах. Апоптоз усуває ушкоджені клітини, які не підлягають відновленню. Це спостерігається в разі вираженого ушкодження ДНК, наприклад, після впливу радіації та цито токсичних препаратів. Накопичення неправильно Таблиця 2.2. Фізіологічні та патологічні стани, пов'язані з апоптозом Стан Механізм апоптозу . Мембранозв’язані везикули Фрагментація клітин АПОПТОЗ Апоптозне тільце н н н н н н н н н н Під час ембріогенезу Втрата сигналу фактору росту (перед бачуваний механізм) Проліферація клітин (напри клад, кишкового епітелію, лімфоцитів у кістковому мозку і тимусі) Втрата сигналу фактору росту (перед бачуваний механізм) Інволюція гормонозалежних тканин (наприклад, ендометрія) Зниження рівня гормонів, що призво дить до ослаблення сигналів виживання Зменшення кількості лейко цитів наприкінці імунних і запальних реакцій Втрата сигналів виживання як стимуля тора активації лейкоцитів Ліквідація потенційно шкідливих лімфоцитів, які розпізнають власні антигени Виражене розпізнавання власних антигенів, що спричинює апоптоз як мітохондріальним, так і рецепторним шляхом нниннннннинш нинннинннннн Фагоцит Фагоцитоз апоптичних клітин і фрагментів Рис. 2 .1 1 . А п о п т о з . Показано зміни клітин при апоптозі. Порівняйте їх зі змінами, що характеризують некротичну загибель клітин, наведе ну на рис. 2.3 Ушкодження ДНК Активація проапоптичних білків лише протеїнами ВНЗ Накопичення неправильно зібраних білків Активація проапоптичних білків лише протеїнами ВНЗ, можливо, пряма акти вація каспаз Інфекції, особливо деякі вірусні Активація мітохондріального шляху вірусними білками. Знищення інфікованих клітин цитоток сичними Т-лімфоцитами, які активують каспази Послідовні етапи ушкодження і загибелі клітини зібраних білків також є причиною апоптозу; основні прояви цього механізму загибелі клітини та їх зна чення для діагностики захворювань викладено далі, у контексті стресу ЕР. Деякі збудники інфекцій, зокрема певні віруси, індукують апоптоз інфікова них клітин. М еханізм и апопт озу Апоптоз регулюють біохімічні механізми, які контролюють рівновагу сигналів, що зумовлюють загибель та виживання клітин, і, зрештою, актива цію ферментів, які називають каспазам и. Останні отримали таку назву тому, що вони є цистеїновими протеазами, які розщеплюють білки залишків аспара гінової кислоти. Два різні шляхи потребують активації каспази: мітохондріальний шлях і рецепторний шлях загибелі (рис. 2.12). Ці шляхи можуть перетинатися, але зазвичай вони індукуються в різних умовах, залучають різні молекули і відіграють різну роль у фізіологічних та патологічних процесах. Кінцевим результатом апо птозу є видалення апоптичних тілець фагоцитами. • М іт охондріальний (внутрішній) шлях. Цей шлях зумовлює апоптоз при фізіологічних та патологічних ситуаціях. Мітохондрії містять кілька білків, здатних спричинювати апоптоз, у тому числі цитохром С. Коли мітохондріальні мембрани стають проникни ми, цитохром С вивільняється у цитоплазму, призводячи до активації каспаз й апоптозу. Сімейство, яке містить понад 20 білків, прототипом яких є ВСЬ-2, контролює проникність мітохондрій. у здорових клітинах ВСЬ-2 та пов'язаний із ним протеїн ВСЬ-хЬ, які продукуються у відповідь на дію факторів росту та інших подразників, зберігають цілість мітохондріальних мембран, переважно за рахунок контролю двох проапоптичних представників сімейства - ВАХ і ВАК. Якщо клітини позбавлені факторів росту та сигналів виживання, або піддаються дії агентів, що ушкоджують ДНК, або накопичують неприйнятну кількість неправильно зібраних білків, активується низка сенсорів. Ці сенсори називають протеїнами ВНЗ, тому що вони містять третій домен, виявлений у білках сімейства ВСЬ. Своєю чергою протеїни ВНЗ зміщують нестійкий життєвий баланс на користь проапоптичних ВАК і ВАХ, у результаті чого вони димеризуються, входять у мітохондріальну мембра ну й утворюють канали, через які цитохром С та інші мітохондріальні білки виходять у цитозоль. Після того як цитохром С потрапляє у цитозоль, він разом із певними кофакторами активує каспазу-9; далі від бувається активація каспазного каскаду, що врештірешт призводить до фрагментації ядер й утворення апоптичних тілець. • Рецепторнійі (зовніш ній) шлях. Багато клітин експресують поверхневі молекули, які називають рецеп торами смерті, що запускають апоптоз. Більшість із них є представниками сімейства рецепторів фактору М ІТ О Х О Н Д Р ІА Л Ь Н И Й (В Н У Т Р ІШ Н ІЙ ) шлях РЕЦЕП ТОРНИ Й (З О В Н ІШ Н ІЙ ) шлях £• -"*■ Ушкодження клітини • Втрата сигналу фактору росту • Ушкодження ДНК (радіацією, токсинами, вільними радикалами) • Неправильне / Ефектори сімейства збирання білків / ВСІ_-2 (ВАХ, ВАК) (стрес ЕР) Взаємодія рецептор-ліганд Синтаза жирних кислот Рецептор Мітохондрія Адаптерні білки Цитохром С та інші проапоптичні білки Активація каспаз Регулятори Протеїни ВНЗ ВСЬ-2, в а -х ц Активація ендонуклеази Руйнування цитоскелета Фрагментація ядра Ліганди рецепторів макрофагів Апоптичне тільце Рис. 2 .1 2 . М е х а н ізм и апо п то зу. Два шляхи апоптозу різняться за своєю індукцією та регуляцією, і обидва вони завершуються активацією каспаз. При мітохондріальному шляху тільки протеїни ВНЗ, які пов’язані із представниками сімейства ВСЬ-2, відчувають відсутність сигналів виживання або ушкодження Д Н К чи білків. Вони також активують ефекторні молекули, що підвищують проникність мітохондрій. Разом із дефі цитом ВСЬ-2 та інших білків, які підтримують проникність мітохондрій, спостерігається витікання вмісту мітохондрій, а різні речовини, такі як цитохром С, потрапляють у цитозоль й активують каспази. Активовані каспази зумовлюють зміни, що завершуються фрагментацією і загибеллю клітини. При рецепторному шляху сигнали з рецепторів плазматичної мембрани зумовлюють збирання адапторних білків в «індукторний сиг нальний комплекс», який активує каспази, а кінцевий результат однаковий 39 ГЛАВА 2 Ушкодження клітини, загибель клітини та адаптація некрозу пухлин (ФНП, ’ШР), які в певних ділянках цитоплазми містять законсервований «домен смер ті». Вони названі так, оскільки опосередковують взає модію з іншими білками, що беруть участь у загибелі клітин. Прототипами рецепторів смерті є рецептори Т М 7типу І та Раз (С095). Раз-ліганд (РазЬ) - мембран ний білок, експресований переважно на активованих Т-лімфоцитах. Коли ці Т-клітини впізнають Разекспресовані мішені, молекули Раз перехресно зши ваються за допомогою РазЬ і зв'язують білки адаптера через домен смерті. Потім вони залучають та активу ють каспазу-8, яка своєю чергою активує наступні каспази. Рецепторний шлях забезпечує ліквідацію аутореактивних лімфоцитів і знищення клітинмішеней деякими цитотоксичними Т-лімфоцитами, Л які експресують РазЬ. При будь-якому шляху після активації каспази-9 (або каспази-8) вона розщеплює і в такий спосіб активує додаткові каспази, що розщеплюють численні мішені й, урешті-решт, активують ферменти, які руйнують білки та ядра клітин. Кінцевим результатом є характер на для апоптозу фрагментація клітин. • Видалення (кліренс) апоптичних клітин. Апоптичні клітини та їхні фрагменти мобілізують фагоци ти, продукуючи низку сигналів «з'їж мене». Так, у нормальних клітинах фосфатидилсерин наявний на внутрішній поверхні плазматичної мембрани, тоді як в апоптичних клітинах він «перелітає» на зовнішню поверхню, де розпізнається тканинними макрофагами, що призводить до фагоцитозу клі тин. Клітини, які гинуть шляхом апоптозу, також виділяють розчинні речовини, що потрапляють у фагоцити. Зміни плазматичної мембрани та секретовані білки полегшують швидке очищення від мертвих клітин, перш ніж вони зазнають ушко дження мембрани і вивільнять свій уміст (що може спричинити запалення). Доведено, що численні рецептори макрофагів беруть участь у зв'язуванні й поглинанні апоптичних клітин. Фагоцитоз настіль ки ефективний, що мертві клітини зникають, не залишаючи сліду, і запалення майже відсутнє. | М О Р Ф О Л О Г ІЯ У зрізах тканин, поф арбованих гематоксиліном й еозином, ядра а п о пти чни х клітин демонструю ть різні стадії конденсації та агрегації хром атину і, врешті-решт, каріорексис (рис. 2.13); на молекулярному рівні це супроводжується фрагментацією Д Н К на частинки розміром як нуклеосома. Клітини швидко зменшуються; цитоплазма фрагментується і перетворюється на апоптичні тільця, які складаються з мембранозв’язаних части но к цитозолю й органел (див. рис. 2.11). О скільки ці фрагменти ш видко видаляються і фагоцитуються без виникнення запаль ної реакції, навіть виражений апоптоз іноді важко виявити гіс тологічним и методами. Інші шляхи загибелі клітини Рис. 2.13. М орф ологічна х а р а кт е р и с т и ка а п о п ти ч н и х клітин. Показані апоптичні клітини (деякі позначені стрілками) в епітелії товстої кишки. (Деякі маніпуляції під час підготовки до колоноскопїї можуть спричинити апоптоз в епітеліальних клітинах, що пояснює наявність мертвих клітин у біопсійному матеріалі.) Зверніть увагу на фрагментовані ядра із конденсованим хроматином і зморщену цитоплазму клітин; поде куди видно частини, що випадають. (Надано 0 г. 5. Какаг, йерапатепі о[РаіНоІо§у, ІІпІуегзіРу о[СаЩотіа 5ап Ргапсвсо, 5ап Ргапсівсо, Сафгпіа.) Окрім некрозу й апоптозу було описано ще два шля хи загибелі клітин, які мають незвичайні особливості. Оскільки роль цих шляхів у захворюванні ще не визна чено, нині вони є предметом численних досліджень, тому корисно знати їх основні прояви. • Н екропт оз. Цей шлях загибелі клітин ініціюють рецептори ПЧГР, а також інші тригери, які ще недо статньо вивчені. На відміну від зовнішнього шляху апоптозу, що теж безпосередньо залежить від рецеп торів ТИР, при некроптозі активуються кінази, які називають рецептор-взаємодіючими протеїновими кіна зами (КІР); вони ініціюють низку етапів, результатом яких є розчинення клітини, ж при некрозі. Термін «некроптоз» означає наявність ознак некрозу й апо птозу. Вважають, що деякі збудники інфекцій зумов люють загибель клітини цим шляхом, тому було висунуто гіпотезу, що він відіграє роль при ішеміч ному ушкодженні та інших патологічних ситуаціях, особливо тих, що пов'язані із запальними реакціями, унаслідок яких продукується ТТчГР. Однак коли і чому це відбувається, і наскільки це важливо в патогенезі захворювань людини, ще не до кінця зрозуміло. • П іропт оз. Цей шлях загибелі клітин пов'язаний з активацією цитозольного білкового комплексу, чут ливого до небезпеки, який дістав назву інфламасома (глава 5). Безпосередній результат активації інфламасоми - це активація каспаз, деякі з яких індуку ють синтез цитокінів, що спричиняють запалення (яке часто проявляється підвищенням температури тіла), та інших тригерів апоптозу. Отже, апоптоз і запалення співіснують. Термін «піроптоз» походить від слів «апоптоз» і «гарячка» (від грец. руг - вогонь). Вважають, що це один із механізмів, за допомогою Механізми ушкодження і загибелі клітини якого деякі інфекційні агенти зумовлюють загибель інфікованих клітин. Його роль в інших патологіч- * них ситуаціях невідома. / РЕЗЮ М Е ЕТАПИ УШКОДЖЕННЯ ТА ЗАГИБЕЛІ КЛІТИНИ • О б о р о тн е уш кодж ення клітини: набряк клітини, ж ирові змі Аутофагія ни, руйнування плазматичної мембрани та втрата м ікровор- Аутофагія («поїдання себе») - лізосомальне пере травлення власних компонентів клітини. Це меха нізм виживання в умовах дефіциту поживних речовин; у такий спосіб голодна клітина може жити, поїдаючи власний уміст та переробляючи його, щоб забезпечити себе поживними речовинами й енергією. У цьому про цесі внутрішньоклітинні органели і частини цитозолю спочатку стають умістом аутофагічної вакуолі, що походить з ЕР; утворення вакуолі ініціюється цитозольними білками, що відчувають дефіцит поживних речовин (рис. 2.14). Вакуоль з'єднується із лізосомами з утворенням аутофаголізосоми, в якій лізосомальні ферменти перетравлюють компоненти клітини. У деяких випадках аутофагія може бути зумовлена атро фією тканин (див. далі) і є адаптивною реакцією, яка допомагає клітинам пережити тяжкий період. Однак, якщо голодна клітина більше не здатна до поглинання свого вмісту, аутофагія може призвести до її апоптозу. Виражена аутофагія спостерігається при ішемічному ураженні та деяких типах міопатії. Поліморфізм гена, задіяного в аутофагії, пов'язаний із запальним захворю ванням кишок, але механістичний зв'язок між аутофагією та запаленням кишок невідомий. Роль аутофагії у розвитку раку обговорюється у главі 6. Таким чином, колись недостатньо оцінений шлях виживання клітин може відігравати значну роль у патології людини. синок, набряк мітохондрій, розш ирення ЕР, еозинофілія (уна слідок зменшення вмісту цитоплазматичної РНК). • Н екроз: випадкова загибель клітини, щ о проявляється по си леною еозинофілією цитоплазми; зморщ енням ядра, фраг ментацією і розчиненням; розривом плазматичної мембрани та мембран органел; численними «фігурами мієліну»; вивіль ненням і ферментативним перетравленням умісту клітин. • М орф ологічні ти п и не кр о зу тканин: за р ізн и х умов у тка ни на х розвиваються специф ічні ти п и не кр о зу - коагуля ц ійн ий, колікваційний, га нгр е но зн ий, казеозний, ж ир о вий і ф ібриноїдний. • А п о п то з: регульований механізм загибелі клітин, який слугує для усунення небаж аних і не о б о р о тн о уш ко д ж е н и х клітин, із мінімальною можливістю розвитку запалення; характери зується ф ерментативною деградацією білків та Д Н К , ін іц ій о ваною каспазами, і швидким розпізнаванням та видаленням мертвих клітин фагоцитами. • А п о п то з ініцію ю ть два основні шляхи: • мітохондріальний (внутріш ній) шлях індукується втратою сигналів виживання, уш кодж енням Д Н К та накопиченням неправильно зібраних білків (стрес ЕР); він пов'язаний із вивільненням п р о а п о п ти ч н и х білків із мітохондріальної мембрани в цитоплазму, де вони зумовлюють активацію каспази; пригнічується антиапоптичним и представника ми сімейства ВСІ_, які індукуються сигналами виживання, включаючи фактори росту; • рецепторний (зовніш ній) шлях відповідальний за ліквіда ц ію ауто реактив н и х лімфоцитів й уш кодж ення ц итото к МЕХАНІЗМИ УШКОДЖЕННЯ І ЗАГИБЕЛІ КЛІТИНИ Перш ніж обговорити окремі механізми травми та заги белі клітини, слід навести деякі загальні принципи. • Клітинна відповідь на вплив шкідливих чинни ків залежить від типу, тривалості та ступеня тяж кості ушкоджень. Отже, низькі дози токсинів або короткий період ішемії можуть спричинити обо ротне ушкодження клітин, тоді як більша концен трація токсинів або довший час ішемії - необоротні травми й загибель клітин. с и ч н и х Т-лімфоцитів; ініціюється внаслідок взаємодії ре цепторів смерті (представників сімейства рецепторів ТІЧР) із лігандами на сусідніх клітинах. • Д ва інш і незвичайні шляхи загибелі клітини - некроптоз (який, як видно з назви, включає особливості як некрозу, так й апоптозу і регулюється певними сигнальними шляхами) та піроптоз, щ о може призвести до вивільнення прозапальних ц итокінів й ініціювати апоптоз. • Аутофагія - це адаптація до деф іциту п о ж и вн и х речовин, унаслідок яко ї клітини перетравлюють власні органели і пе реробляють їх для забезпечення енергією та субстратами. Я кщ о стрес занадто сильний для то го , щ о б клітина могла здійснювати цей процес, вона гине шляхом апоптозу. Дефіцит поживних речовин Формування аутофагічної вакуолі Злиття вакуолі з лізосомою Перетрав лення вмісту ферментами Джерело поживних речовин Рис. 2.14. А у то ф агія . Клітинний стрес, такий як дефіцит поживних речовин, активує гени аутофагії, що ініціюють утворення мембранозв'язаних везикул, в яких секвеструються органели. Ці везикули зливаються з лізосомами, де органели перетравлюються, і продукти розпаду використову ються для забезпечення клітини поживними речовинами. Такий самий процес може зумовлювати апоптоз, механізми якого ще нечітко визначені ГЛАВА 2 Ушкодження клітини, загибель клітини та адаптація Наслідки дії шкідливого чинника також зале жать від типу, стану, пристосованості та гене тичної структури ушкодженої клітини. Ті самі ушкодження мають різні результати залежно від типу клітини. Наприклад, посмугований скелет ний м'яз нижньої кінцівки переносить повну іше мію протягом 2-3 год без необоротного ушкоджен ня, тоді як серцевий м'яз гине вже через 20-30 хв. Харчовий (або гормональний) статус також може бути важливим; зрозуміло, що наповнений гліко геном гепатоцит переживе ішемію краще, ніж той, який щойно спалив останню молекулу глюкози. Генетично детермінована різноманітність мета болічних шляхів може зумовлювати відмінності реакцій на шкідливі подразники. Наприклад, під впливом однієї дози токсину особи, які успадко вують варіанти генів, що кодують цитохром Р450, можуть катаболізувати токсини різними темпа ми, а отже, це призводить до різних результатів. Багато зусиль нині спрямовано на розуміння ролі генетичного поліморфізму в реакціях на лікарські препарати і токсини; цю галузь науки називають фармакогеномікою. Фактично, генетичні варіа ції впливають на схильність до багатьох тяжких захворювань, а також чутливість до різних тера певтичних агентів. Використання гормонального стану пацієнта для застосування індивідуально вибраної терапії є одним із прикладів «прецизій ної медицини». Ушкодження клітин зазвичай виникає внаслі док функціональних та біохімічних розладів в одному або кількох основних компонентах клі тини (рис. 2.15). Далі ми детально обговоримо, як різні зовнішні подразники й ендогенні зміни впли вають на внутрішньоклітинні органели та біохіміч ні шляхи. Наприклад, позбавлення кисню і пожив них речовин (як при гіпоксії та ішемії) насамперед погіршує енергетично залежні функції клітин, кульмінацією яких є некроз, тоді як ушкодження білків і ДНК ініціює апоптоз. Проте слід наголоси ти, що той самий шкідливий агент може активува ти кілька біохімічних шляхів, які діють разом. Тому не дивно, що важко запобігти ушкодженню клітин методом націлювання на індивідуальний шлях. Множинні ушкоджу вальні чинники Мутації, оксидантний стрес, інфекції ♦ АФК Накопичення неправильно зібраних білків Ушкодження ліпідів, білків, нуклеїнових кислот ___ І Як ми говорили на початку цієї глави, є багато різ номанітних причин ушкодження і загибелі клітин. За аналогією, існує безліч біохімічних шляхів, які можуть ініціювати послідовність подій, що призводять до ушкодження клітин та завершуються їх загибеллю. Визнано, що деякі із цих шляхів відіграють важливу роль у захворюваннях людини. У наступній частині глави ми обговоримо механізми ушкодження клітин за основними причинами і шляхами та основні біохіміч ні зміни в кожному з них. Для ясності й простоти ми висвітлюємо унікальні механізми на кожному шляху, але слід зазначити, що будь-який чинник може активу вати один або декілька цих механізмів, і кілька механіз мів можуть бути активними одночасно. Гіпоксія та ішемія Дефіцит кисню призводить до порушення багатьох енергозалежних метаболічних шляхів і зрештою - до загибелі клітин унаслідок некрозу. Більшість АТФ клітини синтезується з аденозиндифосфату (АДФ) шля хом окисного фосфорилювання за умови відновлення кисню в системі транспорту електронів мітохондрій. Високоенергетичний фосфат у формі АТФ бере участь у мембранному транспорті, синтезі білків, ліпогенезі та реакціях деацилювання-реацилювання, необхідних для обміну фосфоліпідів. Розраховано, що клітини здорової людини спалюють від 50 до 75 кг АТФ щодня! Тому не див но, що клітини, позбавлені кисню, можуть зазнати ката строфічного порушення багатьох необхідних функцій. Дефіцит кисню є однією з найчастіших причин ушко дження клітин і некрозу в клінічній медицині. Клітини, що піддаються впливу гіпоксії, одразу не гинуть, а активують компенсаторні механізми внаслідок дії факторів транскрипції із сімейства фактору, індуко ваного гіпоксією-1 (ФІГ-1; НІР-1). НІР-1 стимулює синтез кількох білків, які допомагають клітині виживати в умо вах дефіциту кисню. Деякі із цих білків, такі як фактор росту судинного ендотелію (УЕСР), стимулюють ріст нових судин і тим самим намагаються посилити крово обіг і транспорт кисню. Інші білки, індуковані НІР-1, зумовлюють адаптивні зміни в клітинному метаболізмі, активуючи поглинання глюкози та гліколіз і гальмуючи окисне фосфорилювання в мітохондріях. Анаеробний Радіація, Ендоплаз матичний ретикулум Інфекції, Токсичні молекули ----г~ Ушкодження клітини І Апоптоз Апоптоз Некроз або апоптоз Некроз Рис. 2 .1 5 . О сно в ні б іо х ім іч н і м ех а н ізм и т а п р и ч и н и у ш к о д ж е н н я кл іти н . Зверніть увагу, що причини і механізми загибелі клітин уна слідок некрозу й апоптозу показані як незалежні, але вони можуть бути пов'язані один з одним; наприклад, обидва можуть спричиняти загибель клітин, зумовлену ішемією, оксидантним стресом або радіацією. АТФ - аденозинтрифосфат; А Ф К - активні форми кисню Механізми ушкодження і загибелі клітини г л і к о л і з може генерувати АТФ за відсутності кисню з використанням глюкози, отриманої як із крові, так і внаслідок гідролізу внутрішньоклітинного глікогену. Зрозуміло, що тканини, які мають більшу гліколітичну здатність через наявність глікогену (наприклад, печінка та посмуговані м'язи), частіше виживають при гіпок сії й недостатньому окисному фосфорилюванні, ніж тканини з обмеженими запасами глюкози (наприклад, головний мозок). Незважаючи на те що ці процеси зда ються протилежними, нормальні клітини, які швидко проліферують, і ракові клітини застосовують аеробний гліколіз, щоб виробляти більшу частину енергії; таке явище називають ефектом Варбурга. Причиною цього є те, що хоча гліколіз виділяє менше АТФ на одну моле кулу спаленої глюкози, ніж окисне фосфорилювання, метаболіти, утворені за допомогою гліколізу та циклу трикарбонових кислот, слугують попередниками синте зу компонентів (наприклад, білків, ліпідів і нуклеїнових кислот), необхідних для росту і поділу клітин. Зміни клі тинного метаболізму часто спостерігаються в ракових клітинах, тому вони докладніше розглянуті у главі 6. Постійна або виражена гіпоксія та ішемія зреш тою призводять до недостатнього синтезу і дефіци ту АТФ у клітинах. Втрата цього критичного запасу енергії справляє шкідливий вплив на багато клітинних систем (рис. 2.16). • Зниження активності АТФ-залежних натрієвих насо сів плазматичних мембран призводить до внутріш ньоклітинного накопичення № + та виведення К+. Збільшення кількості молекул супроводжується ізоосмотичним збільшенням об'єму води, що є при чиною розбухання клітин та розширення ЕР. • Компенсаторне посилення анаеробного гліколізу зумов лює накопичення молочної кислоти, зниження внутрішньоклітинного рН й активності багатьох клітинних ферментів. Мітохондрія і Оксидативна проліферація І І АТФ г і Натрієва помпа | 1 І Анаеробний гліколіз __________ І__________ І Потрапляння I Са2+, води, № + І Глікоген »о Т Виведення К+ I I І Молочна — *■ \ рН кислота Відщеплення рибосом | І Синтез білків І Набухання ендоплазма тичного ретикулуму Набухання клітини Втрата мікроворсинок Везикули Рис. 2.16. Ф у н кц іо н а л ь н і й м орф ол огічні наслідки гіп о к с ії та іш е м ії • Тривалий або надмірний дефіцит АТФ спричиняє структурні порушення апарату синтезу білка, що про являється як відщеплення рибосом від шорсткого ЕР та дисоціація полісом у моносоми з наступним пригніченням синтезу білка. • Також існує думка, що гіпоксія посилює накопичен ня активних форм кисню (АФК); нині це питання ще обговорюється. Однак є достатньо доказів того, що гіпоксія створює умови для ушкодження клі тини, опосередкованого АФК, у разі відновлення кровопостачання (і транспорту кисню); таке явище називають травмою реперфузії (див. далі). • Урешті-решт відбуваються необоротні ушкодження мітохондріальних та лізосомальних мембран, і клітина зазнає некрозу. Ушкодження мембран - пізній етап ушкодження клітин, що розвивається внаслідок різ них механізмів, які обговорюються далі. Хоча некроз є основною формою загибелі клітини, зумовленої гіпоксією, також вважають, що апоптоз за допомо гою мітохондріального шляху сприяє цьому. Функціональні наслідки гіпоксії та ішемії залежать від тяжкості й тривалості дефіциту. Наприклад, серце вий м'яз перестає скорочуватися протягом 60 с після оклюзії вінцевої артерії. Якщо гіпоксія продовжується, посилення дефіциту АТФ призводить до подальшого погіршення ситуації, відбуваються послідовні зміни, показані на рис. 2.3 й описані раніше. Ішемічно-реперфузійне ушкодження За певних обставин відновлення кровопостачан ня ішемічних, але життєздатних тканин, як це не парадоксально, посилює ушкодження клітин. Це зворотний бік очікуваного результату відновлення кровотоку, який зазвичай призводить до оборотного ушкодження клітин. Так зване ішемічно-реперфузійне ушкодження є клінічно важливим процесом, який може внести значний вклад в ушкодження тканин, особливо після інфаркту та ішемії головного мозку. Кілька механізмів можуть посилити ушкодження клітин, зумовлене реперфузією ішемічних тканин: • Нове ушкодження може розпочатися під час реоксигенації за рахунок посиленого утворення АФК (докладніше див. далі). Деякі з АФК можуть утворю ватись клітинами з ушкодженими мітохондріями, які не здатні здійснювати повне відновлення моле кулярного кисню; водночас антиоксидантні захис ні механізми клітин можуть бути поставлені під загрозу через ішемію, що погіршує ситуацію. АФК, утворені внаслідок інфільтрації лейкоцитів, також здатні спричинити загибель ушкоджених клітин. • Запалення, яке розвивається внаслідок ішемії, може прогресувати при реперфузії, оскільки вона посилює приплив лейкоцитів і білків плазми. Продукти активованих лейкоцитів можуть призвес ти до додаткового ушкодження тканин (глава 3). Активація системи комплементу також може зумо вити ішемічно-реперфузійне ушкодження; її білки мають властивість зв'язуватися з ушкодженими тка нинами або з антитілами, які осідають у тканинах, і тому подальша активація системи комплементу генерує побічні продукти, що можуть погіршити ушкодження клітин і запалення. ГЛАВА 2 Ушкодження клітини, загибель клітини та адаптація Утворення АФК Пероксидне ■ =ї> Зміни мембрани окиснення ліпідів реперфузія 0 2= Супероксид ;> Н20 2 Розщеплення, Модифікація .---------;> неправильне білка збирання Водню пероксид Л І Ушкодження ДНК Мутації Перетворення Розщеплення до Н20 наН 2О гзадоглутатіонпероксипомогою СОД дазою, каталазою Видалення вільних радикалів Рис. 2 .1 7 . У т в о р е н н я , вид ал енн я т а роль а к т и в н и х ф орм ки с н ю ( А Ф К ) в у ш к о д ж е н н і кл іти н . Утворення А Ф К посилюють чис ленні шкідливі чинники. Ці вільні радикали видаляються унаслідок спонтанного розщеплення, а також за допомогою спеціалізованих фермента тивних систем. Надмірне утворення або недостатнє видалення призводить до накопичення вільних радикалів у клітинах, що може спричинити патологічні зміни ліпідів (шляхом пероксидного окиснення), білків та Д Н К, зумовлюючи ушкодження клітин. СОД - супероксиддисмутаза • За нормальних умов АФК у невеликій кількості утворюються в усіх клітинах під час окисно-відновних реакцій, що відбуваються внаслідок дихан ня мітохондрій та вироблення енергії, у цьому процесі молекулярний кисень відновлюється в мітохондріях, щоб утворити воду шляхом послідовного приєднання чотирьох електронів. Однак ця реак ція є недосконалою, тому утворюються невеликі кількості високореактивних, але короткоживучих токсичних проміжних сполук, коли кисень лише частково відновлюється. Ці проміжні сполуки вклю чають супероксид (О*), який спонтанно перетворю ється на водню пероксид (Н20 2) під дією ферменту супероксиддисмутази (СОД). Н20 2 є більш стійким, ніж О*, і може проходити через біологічні мембрани. За наявності металів, таких як Ре2+, Н20,, перетворю ється на високореактивний гідроксильний радикал шляхом реакції Фентона. Властивості й патологічні ефекти основних АФК наведено в табл. 2.3. • Також АФК продукуються у фагоцитах, переваж но нейтрофілах і макрофагах, як «зброя» для руй нування поглинутих мікроорганізмів й інших речо вин під час запалення та захисту організму (глава 3). АФК утворюються у фагосомах і фаголізосомах лейкоцитів за допомогою процесу, подібного до дихання мітохондрій, який називають респіратор ним (або окисним) вибухом. У цьому процесі фермент мембрани фагосоми каталізує утворення супер- Оксидантний стрес Оксидантний стрес - це клітинні аномалії, індукова ні АФК, що належать до групи молекул, відомих як «вільні радикали». Ушкодження клітин, опосередко ване вільними радикалами, спостерігається за багатьох обставин, включаючи хімічне та радіаційне ураження, гіпоксію, старіння клітин, ушкодження тканин, спри чинене запаленням, та ішемічно-реперфузійне ушко дження. У всіх цих випадках загибель клітин може відбутися шляхом некрозу, апоптозу або змішаного механізму - некроптозу. Вільні радикали є хімічними речовинами з одним непарним електроном на зовнішній орбіті. Такі хімічні стани вкрай нестабільні, вільні радикали легко реа гують із неорганічними й органічними молекулами; коли вони утворюються в клітинах, то активно атаку ють нуклеїнові кислоти, а також різні клітинні білки і ліпіди. Крім того, вільні радикали ініціюють реакції, в яких молекули, що взаємодіють із ними, самі перетво рюються на інші типи вільних радикалів, тим самим подовжуючи ланцюг ушкоджень. Ут ворення т а видалення а кт и вн и х форм кисню Накопичення АФК визначається швидкістю їх утво рення і видалення (рис. 2.17). Основні механізми цих процесів наведені нижче. Таблиця 2.3. Основні вільні радикали, що спричиняють ушкодження клітин Вільний радикал Механізми утворення Механізми видалення Патологічна дія Супероксид (О*) Неповне відновлення 0 2 під час окисного фосфорилювання мітохондрій; дія фагоцитарної оксидази в лейкоцитах Перетворення на Н20 2 і 0 2 під дією супероксиддисмутази Пряме ушкодження ліпідів (пероксид не окиснення), білків і ДНК Водню пероксид (Н А ) Переважно із супероксиду під дією супер оксиддисмутази Перетворення на Н20 і 0 2 під дією каталази, глутатіонпероксидази Може бути перетворений на *ОН і ОСІ , які руйнують мікроби та клітини Гідроксильний радикал (•ОН) Утворення із Н20 , Н20 2 та 0 2 шляхом різноманітних хімічних реакцій Перетворення на Н20 під дією глутатіонпероксидази Прямий шкідливий вплив на ліпіди, білки і ДНК Пероксинітрит (ОІМОО*) Взаємодія 0 2 та N 0 за посередництвом МО-синтази Перетворення на нітрит за допо могою ферментів, що містяться у мітохондріях та цитозолі Прямий шкідливий вплив на ліпіди, білки і ДНК Механізми ушкодження і загибелі клітини оксиду, який перетворюється на Н20 2. Н20 2 своєю чергою перетворюється на високореактивну спо луку - гіпохлорит (основний компонент побутових відбілювачів) і фермент мієлопероксидазу, наявний у лейкоцитах. Роль АФК у запаленні описано в главі 3. • Оксид азоту (N 0) - реактивний вільний радикал, який утворюється в макрофагах та інших лейкоци тах. Він може взаємодіяти з О* з утворенням високореактивної сполуки - пероксинітриту, який також бере участь в ушкодженні клітин. Утворення вільних радикалів посилюється у разі: • поглинання енергії випромінювання (напри клад, ультрафіолетових променів, рентгенівського випромінювання). Йонізувальне випромінювання може гідролізувати воду до гідроксильних (*ОН) і водневих (Н*) вільних радикалів; • ферментативного метаболізму екзогенних хімічних речовин (наприклад, тетрахлорид вуглецю; див. далі); • запалення, при якому вільні радикали утворюються лейкоцитами (глава 3); • реперфузії ішемічних тканин, як описано раніше. Клітини розробили механізми видалення віль них радикалів, у такий спосіб мінімізуючи їх шкід ливі наслідки. Вільні радикали за своєю природою нестабільні й спонтанно розкладаються. Також існують неферментативні та ферментативні системи, які іноді називають антиоксидантами, що слугують для інакти вації вільних радикалів (рис. 2.17): • Швидкість розпаду супероксиду значно збільшуєть ся під дією СОД. • Глутатіон (С5Н) пероксидази належать до сімей ства ферментів, основною функцією яких є захист клітин від оксидантного стресу. Найчисленніший представник - глутатіонпероксидаза-1 - міститься у цитоплазмі всіх клітин. Вона каталізує розщеплення Н20 , шляхом реакції 2С8Н + Н20 2 —» С 5-8С + 2Н ,0. Внутрішньоклітинне співвідношення окисненого й відновленого глутатіону є віддзеркаленням актив ності цього ферменту, а отже, здатності клітини розщеплювати вільні радикали. • Каталаза, наявна в пероксисомах, активує розщеп лення Н20 2 (2Н20 2—>О,, + 2НгО). Це один із найбільш активних відомих ферментів, здатних розщеплюва ти мільйони молекул Н20 2 за 1 є. • Ендогенні й екзогенні антиоксиданти (наприклад, вітаміни Е, А, С і (З-каротин) можуть або заблоку вати утворення вільних радикалів, або утилізувати утворені АФК. Ушкодження клітин, спричинене активними формами кисню АФК зумовлюють ушкодження клітин, завдаючи шкоди кільком їх компонентам (рис. 2.17): • П ероксидне окиснення л іп ід ів м ем бран. Подвійні зв'язки в поліненасичених ліпідах мембран вразливі до атаки вільних радикалів. Результатом ліпід-радикальної взаємодії є пероксиди, які самі по собі неста більні й реакційні і призводять до аутокаталітичної ланцюгової реакції. Ушкодження плазматичних мембран, а також мітохондріальних та лізосомальних мембран можуть мати руйнівні наслідки, як це обговорювалося раніше в контексті ішемії та гіпоксії. • Зш ивання т а інш і зміни білків. Вільні радикали сприяють проникненню білка, опосередкованого сульфгідрильною групою, що призводить до поси леного його розщеплення або втрати фермента тивної активності. Вільнорадикальні реакції також можуть безпосередньо зумовлювати фрагментацію поліпептиду. Ушкоджені білки можуть утворюва ти неправильні конфігурації, запускаючи реакцію неправильно зібраного білка (див. далі). • У ш кодж ення ДНК. Вільнорадикальні реакції із залишками тиміну в ядерній та мітохондріальній ДНК утворюють одноланцюгові розриви. Такі ушкодження ДНК відбуваються при апоптозі, ста рінні та злоякісному переродженні клітин. • Окрім ураження клітин і знешкодження мікро бів, низькі концентрації АФК беруть участь у чис ленних шляхах сигналізації в клітинах і, отже, у багатьох фізіологічних реакціях. Тому ці молекули утворюються за нормальних умов, але щоб уникну ти шкідливого впливу, їх концентрація у здорових клітинах підлягає регуляції. Ушкодження клітин, спричинене токсинами Токсини, у тому числі хімічні речовини Д О В К І Л Л Я і речовини, які продукуються інфекційними збудни ками, індукують ушкодження клітин, що зазвичай закінчується їх некрозом. Різні типи токсинів призво дять до ушкодження клітин за допомогою двох загаль них механізмів: • Токсини п рям ої дії. Деякі токсини діють безпосеред ньо, з'єднуючись з основним молекулярним компо нентом або клітинними органелами. Наприклад, при отруєнні хлоридом ртуті (як це може трапитися і в разі споживання забруднених морепродуктів; глава 8) ртуть зв'язується із сульфгідрильними групами різних білків плазматичної мембрани, що зумовлює гальмування АТФ-залежного транспорту та підвищену проникність мембрани. Багато антинеоплаєтичних хіміотерапевтичних препаратів також індукують ушкодження клітин через прямі цитотоксичні ефекти. До цього класу включені й токсини мікроорганізмів (глава 9). Вони часто спри чиняють ушкодження молекул клітини-хазяїна, необхідних для життєво важливих функцій, таких як синтез білка і транспортування йонів. • П от енційні токсини. Багато токсичних хімічних речовин не є активними всередині клітини; спо чатку вони перетворюються на реакційноздатні метаболіти, які потім діють на клітини-мішені. Зрозуміло, що такі токсини зазвичай впливають на клітини, в яких вони активовані. Як правило, це здійснює цитохром Р450 у гладкому ЕР печінки та інших органах. Хоча метаболіти можуть спричини ти ушкодження клітинної оболонки й органел уна слідок безпосереднього ковалентного зв'язування з білками і ліпідами, найважливішим механізмом ушкодження клітин є утворення вільних радикалів. Тетрахлорид вуглецю (СС14), який раніше широко використовувався в галузі хімічного очищення, але зараз заборонений, та аналгезивний препарат ацетамінофен належать до цієї категорії. Ефект СС14 ГЛАВА 2 Ушкодження клітини, загибель клітини та адаптація є повчальним, як приклад хімічного ураження: він перетворюється на токсичний вільний радикал, переважно в печінці, який спричинює ушкодження клітин, зазвичай шляхом пероксидного окиснення фосфоліпіду мембрани. Через менше ніж ЗО хв після впливу СС14ушкодження ЕР гепатоцитів є достатнім для пригнічення синтезу ферментів та білків плаз ми; протягом 2 год відбуваються набряк гладкого ЕР та дисоціація рибосом у ньому. Також пригні чується синтез апопротеїнів, які утворюють комп лекси із тригліцеридами і тим самим полегшують їх секрецію; цей дефект призводить до накопичення ліпідів у гепатоцитах та інших клітинах і жирової дистрофії печінки при отруєнні СС14. Унаслідок цього ушкоджуються мітохондрії, а згодом знижен ня рівня АТФ зумовлює дефектний транспорт йонів і прогресивний набряк клітини; далі плазматичні мембрани ушкоджуються жирними альдегідами, що утворюються під час пероксидного окиснення ліпідів у ЕР. Кінцевим результатом може бути заги бель клітини. Стрес ендоплазматичного ретикулуму Накопичення неправильно зібраних білків у клі тині може зумовлювати стрес компенсаторних шляхів у ЕР і призводити до загибелі клітин шля хом апоптозу. У процесі звичайного синтезу білків шаперони в ЕР контролюють правильне збирання нових синтезованих білків, а неправильно зібрані поліпептиди розщеплюються під дією убіквітину і спрямовуються на протеоліз. Якщо в ЕР накопичу Стрес ендоплазматичного ретикулуму середньої тяжкості Неправильно зібрані білки - ються денатуровані або неправильно зібрані білки, вони спочатку зумовлюють захисну клітинну відпо відь, яку називають реакцією неправильно зібраного білка (рис. 2.18). Ця адаптивна відповідь активує сигнальні шляхи, що посилюють продукування шаперонів і зменшують транспорт білка, тим самим знижуючи вміст неправильно зібраних білків у клітині. Коли велика кількість таких білків акумулюється і невзмозі адаптуватися, генеровані сигнали призводять до активації проапоптичних рецепторів протеїнів ВНЗ, а також до безпосередньої активації каспаз, що спричинює апоптоз мітохондріальним (внутрішнім) шляхом. Внутрішньоклітинне накопичення неправиль но зібраних білків може бути зумовлене порушен нями, які посилюють утворення таких білків або знижують здатність до їх розщеплення. Це може бути результатом генних мутацій, що призводять до продукування білків, які не можуть правильно зібратися; старіння, що пов'язано зі зниженим потен ціалом корекції неправильного збирання білків; інфекцій, особливо вірусних, коли в клітинах син тезується велика кількість мікробних білків, більша, ніж клітина може корегувати; підвищеної потреби у секреторних білках, таких як інсулін при інсулінорезистентних станах; зміною внутрішньоклітинного рН та окисно-відновного стану. Неправильне збирання білків вважають основною аномалією клітин при деяких нейродегенеративних захворюваннях (гла ва 23). Дефіцит глюкози і кисню, як при ішемії та гіпоксії, також може збільшити навантаження від неправильно зібраних білків. Тяжкий стрес ендоплазматичного ретикулуму Отвір ендоплазматичного ретикулуму Мембрана ендоплазматичного Рецептор неправильно зібра ного білка (наприклад, ІВЕ-1) Цитозоль Посилений синтез шаперонів Недостатній синтез білків Сигнал Посилений розпад білків “ 1 Активація протеїнів ВНЗ Активація каспаз Зменшене навантаження неправильно зібраних білків АДАПТИВНА РЕАКЦІЯ НЕПРАВИЛЬ НО ЗІБРАНОГО БІЛКА ТЕРМІНАЛЬНА РЕАКЦІЯ НЕПРАВИЛЬ НО ЗІБРАНОГО БІЛКА: АПОПТОЗ Рис. 1.18. Р е а к ц ія непр авил ьно зіб р а н о го біл ка т а стрес е н д о п л а з м а т и ч н о го р ети ку л у м у (Е Р ). Наявність неправильно зібраних білків виявляють рецептори в мембрані ЕР (зокрема кіназа ІКЕ-1), які утворюють олігомери, що активуються фосфорилюванням. Це зумовлює адаптивну реакцію, яка може захистити клітину від шкідливого впливу неправильно зібраних білків. Якщо кількість останніх надто велика для корекції, надмірна активація рецепторів ЕР індукує мітохондріальний шлях апоптозу і необоротно ушкоджені клітини гинуть; це також називають термінальною реакцією неправильно зібраного білка Механізми ушкодження і загибелі клітини Таблиця 2.4. Хвороби, спричинені неправильним збиранням білків* Х вороба Залучений білок Патогенез Захворювання, спричинені д еград ацією мутантних білків, щ о призводить до їх деф іциту Муковісцидоз Трансмембранний регулятор муковісцидозу (СРТК) Втрата СРТК призводить до порушення транспорту хлоридів і загибелі уражених клітин Сімейна гіперхолестеринемія Рецептор ЛПНГ Втрата рецептора ЛПНГ призводить до гіперхолестеринемії Хровоба Тея-Сакса р-Гексозамінідаза Нестача ферменту призводить до накопичення СМ2 гангліозидів у нейронах Захворювання, спричинені неправильним збиранням білків унаслідок стрес-індукованої загибелі клітин Пігментна дистрофія сітківки Родопсин Аномальне збирання родопсину спричиняє втрату фоторецепторів та за гибель клітин, що призводить до сліпоти Хвороба Кройтцфельдта-Якоба Пріони Аномальне збирання РгР$с спричиняє загибель нейронів Хвороба Альцгеймера Пептид Ар Аномальне збирання пептиду А р призводить до агрегації в нейронах та апоптозу Захворювання, спричинені неправильним збиранням білків я к унаслідок загибелі клітин, індукованої стресом ендоплазматичного ретикулуму, так і функціонального деф іциту білка Дефіцит сц-антитрипсину суАнтитрипсин Зберігання нефункціонального білка в гепатоцитах спричиняє апоптоз; відсутність ферментативної активності в легенях призводить до руйнування пружної тканини, що зумовлює емфізему В и б ра ні іл ю стр а ти вн і п р и кл а д и з а хв о р ю в а н ь, в я к и х не пр а ви л ьн е з б и р а н н я біл ків вва ж аю ть о с н о в н и м м е ха н ізм о м ф у н кц іо н а л ь н о го р озл а д у а б о у ш к о д ж е н н я кл іт и н ч и тк а н и н . Л П Н Г - л іп о п р о т е їд и н и з ь к о ї гу с т и н и . Неправильне збирання білків у клітинах може спричинити захворювання внаслідок дефіциту основного білка або індукції апоптозу (табл. 2.4). • Неправильно зібрані білки часто втрачають актив ність і швидко деградують, що може призвести до порушення функції. Якщо функція належить до життєво важливих, це може спричинити ушкоджен ня клітин. Одне із тяжких захворювань, при яких це відбувається, - муковісцидоз, зумовлений спадкови ми мутаціями у структурі мембранного транспорт ного білка, що перешкоджає його нормальному збиранню. • Загибель клітин унаслідок неправильного збиран ня білків належить до проявів низки захворювань, включаючи нейродегенеративні розлади, хвороби Альцгеймера, Гантінгтона й Паркінсона, і може бути фактором ризику цукрового діабету 2-го типу. Як обговорюється далі в цій главі, неправильно зібрані білки також можуть накопичуватися у ПКМ, як при амілоїдозі. Ушкодження ДН К Опромінення клітин або дія хіміотерапевтичних пре паратів, внутрішньоклітинна трансформація АФК та мутації можуть індукувати ушкодження ДНК; тяж кий ступінь ураження здатний спричинити апоптоз. Ушкодження ДНК виявляють внутрішньоклітинні «сто рожові» білки, які передають сигнали, що призводить до накопичення протеїну р53. Останній спочатку припиняє клітинний цикл (у фазі С,), щоб забезпечити відновлення ДНК до її реплікації (глава 6). Проте, якщо порушення є занадто великим для успішного відновлення, р53 індукує апоптоз, переважно стимулюючи лише протеїни ВНЗ, які своєю чергою активують Вах та Вак, проапоптичні пред ставники сімейства Вс1-2. Коли р53 зазнає мутації або від сутній (як при деяких видах раку), виживають клітини з ушкодженою ДНК, які в нормі піддаються апоптозу. У таких клітинах можливі мутації або перестановки ДНК (наприклад, транслокації), що призводить до неопластичного переродження (глава 6). Запалення Частою причиною ушкодження клітин і тканин є запальна реакція, зумовлена збудниками, некротич ними клітинами та дисрегульованими імунними реак ціями, як при аутоімунних захворюваннях й алергії. У всіх цих ситуаціях запальні клітини, включаючи нейтрофіли, макрофаги, лімфоцити та інші лейко цити, виділяють продукти, призначені для знищен ня мікробів, але також можуть ушкоджувати власні тканини. Ці патологічні імунні реакції класифікують як підвищену чутливість (глава 5). Загальні етапи ушкодження клітин з різноманітних причин Ми вже розглянули механізми ушкодження клітин залежно від причини і висвітлили основні шляхи ушко дження, які спостерігаються в різних патофізіологічних ситуаціях. Деякі зміни характеризують ушкодження клітин незалежно від причини, а отже, проявляються при різних патологічних станах. Дві із цих змін описано далі. А и сф ун кція м іт охондрій Мітохондрії можна розглядати як «міні-фабрики», які виробляють життєзабезпечувальну енергію у вигляді АТФ. Тому не дивно, що вони також відіграють клю чову роль в ушкодженні й загибелі клітин. Мітохондрії чутливі до багатьох шкідливих чинників, включаючи гіпоксію, хімічні токсини і радіацію (рис. 2.19). Зміни в мітохондріях відбуваються при некрозі й апоптозі. Вони можуть призвести до кількох біохімічних розладів: • Порушення окисного фосфорилювання спричи нює значний дефіцит АТФ, кульмінацією якого є некроз клітини, як описано раніше. ГЛАВА 2 Ушкодження клітини, загибель клітини та адаптація Гіпоксія, токсини, радіація 4 Сигналів виживання вації кислотних гщролаз у кислому внутрішньоклі тинному рН ушкоджених (наприклад, ішемічних) клітин. Активація цих ферментів є причиною фер ментативного перетравлення компонентів клітини, і клітини гинуть від некрозу. } Проапоптичні білки І Антиапоптичні білки РЕЗЮ МЕ МЕХАНІЗМИ УШ КОДЖ ЕННЯ КЛІТИН • Різноманітні провокувальні ч и н н и ки зумовлюють уш код ж ен Ушкодження або дисфункція мітохондрій ня і загибель клітин унаслідок різних механізмів. • Гіпоксія та ішемія призводять до деф іциту А Т Ф і поруш ення багатьох енергозалежних функцій, насамперед до о б о р о т і ----- ------- 1 І Утворення АТФ і Утворення АФК н о го уш кодж ення і, я кщ о ситуацію не виправлено, - до не О Виділення мітохондріальних протеаз крозу. • П ри іш ем ічно-реперф узійном у уш кодж енні відновлення кр о вотоку в іш емічній тканині посилю є уш кодження, збільшую чи утворення А Ф К та запалення. Множинні аномалії клітин • О ксид а нтн ий стрес - це накопичення А Ф К , яке може у ш ко джувати клітинні ліпіди, білки та Д Н К і зумовлене численни Некроз Апоптоз ми провокувальними чинниками. • Неправильне збирання виснажує запас необхід них білків і, Рис. 2.19. Роль мітохондрій в уш ко д ж ен н і та загибелі клі тин. Мітохондрії чутливі до багатьох шкідливих чинників, а їх ано якщ о дефектні білки акумулюються всередині клітин, це п р и малії призводять до некрозу або апоптозу. Цей шлях апоптозу більш детально описаний далі. АТФ - аденозинтрифосфат; АФК - активні форми кисню • У ш код ж ення Д Н К (наприклад, унаслідок опром інення) та зводить д о апоптозу. ко ж може індукувати апоптоз, якщ о структура Д Н К не від новлюється. • Запалення призводить до уш кодж ення клітини внаслідок дії продуктів запальних лейкоцитів. • Аномальне окисне фосфорилювання також призво дить до утворення АФК, що має багато шкідливих ефектів, як уже описано. • Ушкодження мітохондрій часто асоціюються з утворенням каналу високої провідності в їхній мембрані, який називають перехідною порою проник ності. Відкриття цього каналу призводить до втрати мембранного потенціалу та зміни рН, що посилює окисне фосфорилювання. • Мітохондрії також містять білки, наприклад цито хром С, які, виділяючись у цитоплазму, повідомля ють клітину про внутрішні ушкодження та активу ють апоптоз (див. раніше). Дефекти проникності мембран Підвищена проникність мембрани, що врешті-решт призводить до вираженого її ушкодження, є ознакою більшості форм ушкодження клітин, що завершуються некрозом. Найважливішими ділянками ушкодження є мітохондріальна, плазматична та лізосомальні мемб рани. Як зазначалося раніше, підвищена проникність плазматичної та лізосомальних мембран не належить до ознак апоптозу. • Ушкодження мітохондріальної мембрани призводить до дефіциту АТФ, який супроводжується численни ми шкідливими ефектами і закінчується некрозом. • Ушкодження плазматичної мембрани зумовлює втра ту осмотичного балансу і порушує надходження рідини та йонів, а також втрату клітинного вмісту. Із клітин також можуть вивільнятися метаболіти, які є життєво важливими для відновлення АТФ, унаслі док чого згодом зменшуються запаси енергії. • Ушкодження лізосомальних мембран призводить до вивільнення їхніх ферментів у цитоплазму й акти- Зараз ми завершили обговорення питань ушко дження та загибелі клітин. Як видно із вищесказаного, вони є основною причиною багатьох поширених захво рювань. Ми закінчуємо цю главу короткими міркуван нями стосовно трьох інших процесів: адаптації клітин до стресу; внутрішньоклітинного накопичення різних речовин і позаклітинного депонування Са2+ (обидва часто пов'язані з ушкодженням клітин); старіння. АДАПТАЦІЯ КЛІТИНИ ДО СТРЕСУ Адаптація - це оборотні зміни кількості, розміру, фено типу, метаболічної активності або функцій клітин у від повідь на зміни їх середовища. Ф ізіологічна адапт ація зазвичай являє собою реакцію клітин на нормальну стимуляцію гормонами чи ендогенними хімічними медіаторами (наприклад, індуковане гормонами збіль шення грудних залоз і матки під час вагітності) або на механічний стрес (зміни кісток та м'язів). П ат ологічна адапт ація - це реакція на стрес, яка дає змогу клітинам змінювати їх структуру та функції і в такий спосіб уни кати ушкодження, але за рахунок нормальної функції (наприклад, плоскоклітинна метаплазія бронхового епітелію у курців). Фізіологічна й патологічна адаптація може мати кілька форм, як описано далі. Гіпертрофія Гіпертрофія - збільшення розміру клітин, що зумов лює збільшення органа. На відміну від гіперплазії (див. далі), це не збільшення кількості клітин. Іншими словами, при справжній гіпертрофії немає нових клі Адаптація клітини до стресу тин, а наявні великі клітини, що містять збільшену кількість структурних білків та органел. Гіперплазія є адаптивною реакцією в клітинах, здатних до репліка ції, тоді як гіпертрофія виникає, якщо клітини мають обмежену здатність до поділу. Гіпертрофія та гіперпла зія також можуть виникати разом, і це, очевидно, при зводить до збільшення органа. Гіпертрофія може бути фізіологічною чи патоло гічною, зумовленою або збільшенням функціональ них потреб, або фактором росту, або гормональною стимуляцією. • Ф ізіологічн а гіперт роф ія. Значне збільшення мат ки під час вагітності відбувається внаслідок естрогеностимульованої гіпертрофії та гіперплазії непосмугованих м'язів (рис. 2.20). На відміну від цього, у відповідь на збільшення робочого навантаження посмуговані м'язові клітини, як у скелетних м'язах, так і в міокарді, піддаються лише гіпертрофії, тому що дорослі м'язові клітини мають обмежену здат ність до поділу. Отже, об'ємна статура людини, яка багато займається підніманням великої ваги, є результатом виключно гіпертрофії окремих скелет них м'язів. • Прикладом п ат ол огіч н ої гіп ер т р оф ії є збільшення серця, яке виникає при гіпертонічній хворобі або аортальному стенозі (рис. 2.21). Відмінності між нормальними, адаптованими та необоротно ушко дженими клітинами ілюструє реакція серця на різні типи стресів. Міокард під впливом постійно підви щеного робочого навантаження, як при артеріаль ній гіпертензії або звуженні (стенозі) отвору артерії, пристосовується шляхом виникнення гіпертрофії, щоб генерувати більш високу скоротливу здатність. Якщо, з іншого боку, у міокарді сповільнюється кровотік (ішемія) через закупорку вінцевої артерії, м'язові клітини можуть зазнати ушкодження. Механізми, що зумовлюють гіпертрофію серця, включають принаймні два типи сигналів: механічні чинники (такі як розтягування) і розчинні медіатори, що стимулюють ріст клітин (наприклад, фактори рос ту й адренергічні гормони). Ці подразники активують шляхи передачі сигналу, призводячи до індукції низки генів, що своєю чергою стимулює синтез багатьох клі тинних білків, у тому числі факторів росту та структур них білків. Результатом є збільшення кількості білків та міофіламентів у клітині, що посилює кожне скорочення; це дає змогу клітині задовольнити підвищені функціо нальні вимоги. Також може існувати перемикач скорот ливих білків від дорослої до фетальної чи неонатальної форми. Наприклад, під час гіпертрофії м'язів важкий ланцюг а-міозину замінюється фетальною (3-формою важкого ланцюга міозину, що призводить до більш повільного, енергетично економного скорочення. Адаптація до стресу, зокрема гіпертрофія, може перейти у функціонально значуще ушкодження клі тин, якщо стрес не зменшується. Незалежно від при чини гіпертрофії досягається межа, за якою зростання м'язової маси більше не може компенсувати посилене навантаження. Якщо це відбувається в серці, у волокнах міокарда виникають дегенеративні зміни, найважливі шими з яких є фрагментація та руйнування міофібрилярних скоротливих елементів. Чому гіпертрофія про гресує до таких змін, не повністю зрозуміло. Можливо, існують межі можливостей судинної системи для адек ватного кровопостачання збільшених м'язових волокон, або мітохондрій - для синтезу АТФ, або біосинтетичного апарату - щоб забезпечувати достатню кількість скоротливих білків або інших елементів цитоскелета. Результатом цих дегенеративних змін є розширення шлуночків і, згодом, серцева недостатність. Гіперплазія Гіперплазія - збільшення кількості клітин в органі внаслідок посилення проліферації, або кількості диференційованих клітин, або, у деяких випадках, кількості менш диференційованих клітин-попередників. Як обговорювалося раніше, гіперплазія вини кає, якщо тканина містить популяції клітин, здатні до реплікації; це може статися одночасно із гіпертрофією і часто у відповідь на ті самі стимули. Рис. 2 .2 0 . Ф ізіо л о гічн а гіп е р тр о ф ія м атки п ід час вагітності: А - макроскопічний вигляд нормальної матки (праворуч) і вагітної матки (ліворуч), яку було видалено з приводу післяпологової кровотечі. Б - малі веретеноподібні гладкі м’язові клітини нормальної матки. 6 - великі пухкі гіпертрофовані гладкі м’язові клітини вагітної матки; порівняти із Б (збільшення Б і В однакове) 49 ГЛАВА 2 Ушкодження клітини, загибель клітини та адаптація Нормальний кардіоміоцит Ішемія, що призводить до ушкодження клітин Оборотне ушкодження кардіоміоцита Адаптація: реакція на посилене навантаження Адаптований кардіоміоцит (гіпертрофія) Загибель клітини Рис. 2 .2 1 . С п ів в ід н о ш е н н я н ор м а л ь н и х , а д а п т о в а н и х , о б о р о тн о у ш к о д ж е н и х і н е к р о т и ч н и х кл іти н м іо ка р д а . Представлена тут клітинна адаптація є гіпертрофією; причиною оборотного ушкодження слугує ішемія, а необоротного - ішемічний коагуляційний некроз. При гіпертрофії міокарда (внизу ліворуч) товщина стінки лівого шлуночка більша ніж 2 см (норма - 1-1,5 см). О боротне ушкодження міокарда має функціональні зміни без будь-яких виражених чи незначних мікроскопічних ознак, або оборотні зміни, такі як набряк клітин і жирові зміни (показано тут). При некрозі (внизу праворуч) трансмуральна світла ділянка у задньобічній стінці лівого шлуночка являє собою гострий інфаркт міокарда. Усі три поперечні зрізи міокарда фарбували трифенілтетразолію хлоридом - субстратом ферменту, який забарвлює життєздатний міокард у пурпуровий колір. Відсутність забарвлення пояснюється втратою ферменту після загибелі клітин Гіперплазія може бути фізіологічною або патоло гічною; в обох випадках проліферацію клітин сти мулюють фактори росту, які продукуються різними типами клітин. • Розрізняють два види ф ізіо л о гіч н ої гіперп лазії; (1) гормональна гіперплазія, прикладом якої є про ліферація залозистого епітелію грудної залози у період статевого дозрівання та під час вагітності; (2) компенсаторна гіперплазія, при якій залишкова тканина росте після видалення або втрати частини органа. Наприклад, якщо частину печінки видаля ють хірургічним шляхом, мітотична активність у клітинах, що залишилися, виникає вже через 12 год і зрештою печінка відновлюється до нормального розміру. Стимулами для гіперплазії в цьому випад ку є поліпептидні фактори росту, що продукуються неушкодженими гепатоцитами, а також непаренхіматозними клітинами печінки (розділ 3). Після відновлення маси печінки різні інгібітори росту пригнічують проліферацію клітин. • Більшість форм п ат ол огіч н ої гіп ерплазії спричи нені надмірною гормональною стимуляцією чи факторами росту. Наприклад, після нормального менструального циклу спостерігається вибухова проліферація епітелію матки, яку зазвичай регу люють стимулювальні ефекти гормонів гіпофіза й естрогени яєчників та пригнічувальні ефекти про гестерону. Порушення цього балансу призводить до посилення естрогенної стимуляції, зумовлюючи гіперплазію ендометрія - часту причину аномаль них менструальних кровотеч. Доброякісна гіпер плазія передміхурової залози є ще одним поширеним прикладом патологічної гіперплазії як результату реакції на стимуляцію андрогенами. Гіперплазія вна слідок стимуляції факторами росту спостерігається при певних вірусних інфекціях; наприклад, вірус папіломи людини зумовлює утворення шкірних кон дилом, які складаються із гіперпластичного епітелію, та ураження слизової оболонки. У цьому разі факто ри росту можуть бути закодовані генами вірусів або інфікованих клітин організму. Важливо пам'ятати, що в усіх перерахованих ситуаціях гіперпластичний процес залишається контрольованим; якщо частота тригерних сигна лів зменшується, гіперплазія зникає. Саме ця чут ливість до нормальних регуляторних механізмів від різняє патологічну гіперплазію від раку, при якому механізми контролю росту стають нерегульованими або неефективними (глава 6). Незважаючи на це, у багатьох випадках патологічна гіперплазія є підґрун тям, на якому може виникнути рак. Наприклад, при гіперплазії ендометрія ризик раку ендометрія підви щується (глава 19). Атрофія Атрофія - зменшення розміру клітин унаслідок втрати клітинних білків. При ураженні достатньої кількості клітин уся тканина (або орган) зменшується у Адаптація клітини до стресу Рис. 2 .2 2 . А тро ф ія м о зку : А - нормальний мозок молодої людини. Б - атрофія головного мозку 82-річного чоловіка з атеросклерозом, зумов лена старінням і недостатнім кровопостачанням. Зверніть увагу, що зменшення речовини мозку призводить до звуження звивин і розширення борозен. Оболони було знято з лівої половини кожного зразка, щоб показати поверхню мозку розмірі або стає атрофованою (рис. 2.22). Хоча функція атрофічних клітин порушується, вони не є мертвими. До причин атрофії належать зменшення робочого навантаження (наприклад, іммобілізація кінцівок при лікуванні переломів), порушення іннервації, недо статнє кровопостачання, нераціональне харчування, розлади ендокринної регуляції і старіння (стареча атрофія). Хоча деякі із цих стимулів є фізіологічними (наприклад, гормональні розлади в період менопаузи), а інші - патологічними (наприклад, денервація), фундаментальні зміни в клітинах схожі. Зазвичай це зменшення розміру, при якому виживання усе ще мож ливе; досягається нова рівновага між розміром клітин і зменшенням кровотоку, живлення або трофічної стимуляції. Атрофія клітин розвивається внаслідок поєднан ня недостатнього синтезу білка та посиленого його розщеплення. • Синтез білка сповільнюється через знижену мета болічну активність. • Деградація клітинних білків відбувається пере важно убіквітин-протеасомним шляхом. Дефіцит поживних речовин та нераціональне їх викорис тання можуть активувати лігази убіквітину, які прикріплюють кілька копій маленького пептиду убіквітину до клітинних білків і спрямовують їх на деградацію у протеасомах. Цей шлях також вважа ють відповідальним за прискорений протеоліз, що спостерігається при різних формах катаболізму, включаючи кахексію при раку. • У багатьох ситуаціях атрофія також пов'язана з аутофагією, у результаті чого збільшується кіль кість аутофагічних вакуолей. Як говорилося рані ше, аутофагія - це процес, за якого голодна клітина «з'їДає» власні органели, намагаючись вижити. ятливі умови. Вважають, іцо метаплазія виникає вна слідок перепрограмування стовбурових клітин, щоб диференціація відбувалася за новим механізмом, без фенотипової зміни (трансдиференціації) уже дифе ренційованих клітин. Метаплазія епітелію є прикладом змін, що відбува ються в дихальному епітелії курців сигарет, у яких зви чайні війчасті стовпчасті епітеліальні клітини трахеї та бронхів часто замінюються стратифікованим плоским епітелієм (рис. 2.23). Останній може функціонувати за наявності шкідливих хімічних речовин сигаретного диму, яким більш ніжний спеціалізований епітелій не може протистояти. Хоча метапластичний сквамозний епітелій має переваги стосовно виживаності, важливі захисні механізми втрачаються, наприклад, секреція Базальна Нормальний мембрана стовпчастий д епітелій Плоский епітелій Метаплазія Метаплазія - заміна одного типу дорослої клітини (епітеліального або мезенхімального) іншим зрілим типом клітини. Це варіант адаптації, при якому тип клітини, чутливий до певного стресу, замінюється іншим типом клітин, який краще витримує неспри Рис. 2 .2 3 . М ета п л а зія н ор м ал ь н о го с то вп часто го (л ів о р уч ) і п л о ского е п іте л ію (п р а в о р у ч ) у б р о н х у : А - схема. Б - гістоло гічний препарат 51 ГЛАВА 2 Ушкодження клітини, загибель клітини та адаптація © Жирова інфільтрація печінки Нормальна клітина © - х - Накопичення аномальних білків слизу та циліарний кліренс твердих частинок. Отже, метаплазія епітелію є двосічним мечем. Оскільки віта мін А необхідний для нормального диференціювання епітелію, його дефіцит може також спричинити плоскоклітинну метаплазію дихального епітелію. Метаплазія не обов'язково відбувається у напрямку від стовпчастого до плоского епітелію; при хронічному шлунково-стравохідному рефлюксі нормальний стратифікований плоский епітелій нижнього відділу стра воходу може зазнавати метапластичної трансформації у стовпчастий епітелій шлунка або кишок. Метаплазія також може виникати в мезенхімальних клітинах, але в цих ситуаціях вона є реакцією на певну патологічну зміну, а не адаптивною відповіддю на стрес. Наприклад, кістка іноді утворюється в м'яких тканинах, особливо в ділянці травми. Стійкий вплив, який призводить до метаплазії епітелію, може спричинити злоякісне перероджен ня. Фактично, плоскоклітинна метаплазія дихального епітелію часто співіснує із раком легень, що склада ється зі злоякісних плоских клітин. Вважають, що куріння сигарет спочатку зумовлює плоскоклітинну метаплазію, а потім у деяких із цих змінених вогнищ розвивається рак. РЕЗЮ М Е АДАПТАЦІЯ КЛІТИН ДО СТРЕСУ іо і ЇМ — о Ш І КОсниЯйЄК'= С > р°зчинні .субстрат Д ПР°ДУКТИ Фермент © ' іи / , Ія шІ фщф с Гіпертрофія: збільшення розміру клітин й органів, часто вна слідок збільшення р о б о ч о го навантаження; індукована фак торами росту у відповідь на механічний стрес або інш і сти мули; відбувається в тканинах, не здатних д о поділу. Гіперплазія: збільшення кількості клітин у відповідь на го р ф Комп- лексний субстрат Лізосомальні хвороби накопичення:накопичення ендогенних речовин мональну стимуляцію та інш і фактори росту; відбувається в тканинах, клітини я ки х здатні до поділу чи містять надмірну кількість стовбурових клітин. Атрофія: зменшення розміру клітин й органів унаслідок дефі ц и ту п о ж и вн и х речовин або їх нераціонального використан ня; пов’я зана із недостатнім синтезом клітинних будівельних блоків і посиленим руйнуванням органел та аутофагією. Метаплазія: зміна ф енотипу диф еренційованих клітин, час то у відповідь на хр о нічне подразнення, щ о дає можливість клітинам краще протистояти стресу; зазвичай індукується внаслідок поруш ення диф еренціації тка н инни х стовбурових клітин; може стати п р и ч и н о ю зниження функцій або підви щ еної схильності до злоякісного переродження. ВНУТРІШНЬОКЛІТИННІ ВКЛЮЧЕННЯ Накопичення екзогенних речовин Рис. 2.24. М е х а н ізм и в н у тр іш н ь о кл іти н н о го н а ко п и ч е н н я : 1 - аномальний метаболізм, як при жирових змінах у печінці; 2 - мута ції, які спричинюють зміни у збиранні й транспортуванні білків, так що дефектні молекули накопичуються всередині клітини; 3 - дефіцит фер ментів, відповідальних за розщеплення певних сполук, що спричиняє накопичення субстратів у лізосомах, як при лізосомальних хворобах накопичення; 4 - неможливість руйнування фагоцитованих частинок, як і при накопиченні пігменту вуглецю За певних обставин клітини здатні накопичувати ненормальну кількість різноманітних речовин, які можуть бути нешкідливими або призводять до ушко дження різного ступеня. Речовина може міститися в цитоплазмі, усередині органел (як правило, лізосом) чи в ядрі; може продукуватися ураженими клітинами або в інших ділянках. Основними шляхами патологічного внутріш ньоклітинного накопичення є неадекватні процеси видалення та деградації, або надмірне продукування ендогенної речовини, або накопичення дефектного екзогенного матеріалу (рис. 2.24). Ось деякі приклади. Внутрішньоклітинні включення Ліпіди. Ж и р ові зміни також мають назву «стеатоз» і стосуються будь-якого накопичення тригліцеридів у паренхіматозних клітинах. Найчастіше спостерігаються в печінці, оскільки це основний орган, який бере участь в обміні жирів, але також можуть з'явитися в серці, ске летних м'язах, нирках та інших органах. До стеатозу можуть призводити вплив токсинів, недостатній уміст білків у раціоні, цукровий діабет, ожиріння або аноксія. Зловживання спиртними напоями та цукровий діабет, пов'язаний з ожирінням, є найпоширенішими причина ми жирових змін у печінці (жирова інфільтрація печін ки) у промислово розвинених країнах (глава 16). Холест ерин т а еф іри холест ерину. Метаболізм холестерину всередині клітини регулюється для забез печення нормального формування клітинних оболо нок (в яких холестерин є ключовим компонентом) без значного внутрішньоклітинного накопичення. Однак фагоцити можуть перевантажуватися ліпідами (тригліцеридами, холестерином та його складними ефіра ми) при деяких патологічних процесах, що зазвичай характеризуються надмірним споживанням або поси леним катаболізмом ліпідів. Із них найважливішим є атеросклероз. Роль ліпідів та холестерину в патогенезі атеросклерозу обговорюється в главі 10. Білки. Морфологічно видиме накопичення біл ків трашіяється не так часто, як накопичення ліпідів; воно виникає, якщо надлишки потрапляють у клітини або якщо клітини синтезують надмірну їх кількість. Наприклад, у нирках невелика кількість альбуміну, що фільтрується через клубочки, зазвичай реабсорбусться шляхом піноцитозу у проксимальних звивистих канальцях. Проте при розладах виділення білків через клубочковий фільтр (наприклад, нефротичний син дром) реабсорбується значно більша його кількість, а також утворюються везикули, що містять альбумін, у вигляді рожевих гіалінових цитоплазматичних крапель під час гістологічного дослідження. Процес оборотний: якщо протеїнурія зменшується, гіалінова крапля метаболізується і зникає. Ще одним прикладом є помітне накопичення знову синтезованих імуноглобулінів, які можуть виникати у шорсткому ЕР деяких плазматич них клітин, утворюючи круглясті еозинофільні тільця Рассела. Інші приклади агрегації білків обговорюються далі («алкогольний гіалін» у печінці - у главі 16; нейрофібрилярні зв'язки у нейронах - у главі 23). Глікоген. Надмірне внутрішньоклітинне відкла дення глікогену спричинене порушенням метаболізму глюкози або глікогену. При недостатньо контрольо ваному цукровому діабеті основною ознакою ненор мального метаболізму глюкози є глікоген, що накопи чується в епітелії ниркових канальців, кардіоміоцитах та (3-клітинах острівців Лангерганса. Глікоген також депонується всередині клітин при генетичних розла дах, які називають хворобами накопичення глікогену, або глікогенозами (глава 7). Пігменти. Це кольорові речовини, які можуть бути екзогенними, тобто надходять ззовні (зокрема продук ти згоряння), або ендогенними, синтезованими всере дині організму (ліпофусцин, меланін та деякі похідні гемоглобіну). • Найпоширенішим екзогенним пігментом є вуг лець - основний забруднювач повітря у містах. При вдиханні він фагоцитується альвеолярними макро фагами і транспортується лімфатичними шляхами до регіонарних трахеобронхіальних лімфатичних вузлів. Агрегати пігменту забарвлюють у чорний колір дренажні лімфатичні вузли та паренхіму легень (антракоз; глава 13). • Ліпофусцин, або «пігмент зносу», - нерозчинний коричнево-жовтий гранульований внутрішньоклі тинний пігмент, який накопичується в різних тка нинах (особливо в серці, печінці й головному мозку) при старінні або атрофії. Це комплекси ліпіду і білка, які утворюються в результаті вільнорадикального каталітичного пероксидного окиснення поліненасичених ліпідів субклітинних мембран. Ліпофусцин нешкідливий для клітин, але є маркером ураження вільними радикалами. Коричневий пігмент у вели кій кількості створює характерний зовнішній вигляд, який називають бурою атрофією (рис. 2.25). • Меланін - ендогенний коричнево-чорний пігмент, синтезований меланоцитами епідермісу, де він діє як екран проти шкідливого ультрафіолетового випромінювання. Хоча меланоцити слугують єди ним джерелом меланіну, сусідні базальні кератино цити у шкірі можуть накопичувати «пігмент зносу» (наприклад, у ластовинні), як макрофаги шкіри. • Гемосидерин - гранульований пігмент від золотис то-жовтого до коричневого кольору, отриманий із гемоглобіну, який накопичується в тканинах, коли виникає локальний або системний надлишок заліза. Залізо зазвичай зберігається в клітинах у комбінації із білком апоферитином, утворюючи міцели феритину. Пігмент гемосидерину являє собою великі агрегати цих міцел, легко візуалізується за допомо гою світлової й електронної мікроскопії; залізо мож на однозначно ідентифікувати під час гістохімічної реакції із пруським синім (рис. 2.26). Хоча накопи чення гемосидерину - переважно патологічний процес, невелика кількість цього пігменту в нормі міститься у мононуклеарних фагоцитах кісткового мозку, селезінки та печінки, де зазвичай деградують старіючі еритроцити. Надмірне депонування гемо сидерину, яке називають гемосидерозом, і більш екс тенсивне накопичення заліза, виявлене при спадко вому гемохроматозі, описані в главі 16. Рис. 2.25. Гранули л іпо ф усцин у в к а р д іо м іо ц и т а х (відкладен ня позначено стрілками) ГЛАВА 2 Ушкодження клітини, загибель клітини та адаптація Рис. 2.26. Гранули ге м о с и д е р и н у в кл іти н а х п еч ін ки : А - пофарбований гематоксиліном й еозином зріз із золотисто-коричневим дрібно зернистим пігментом. Б - відкладення заліза, що виявляють за допомогою спеціального забарвлення (реакція із пруським синім) ПАТОЛОГІЧНА КАЛЬЦИФІКАЦІЯ Патологічна кальцифікація - звичайний процес при різних захворюваннях, що е результатом аномаль ного відкладення солей кальцію разом із меншими кількостями заліза, магнію та інших мінералів. Це може відбуватися двома шляхами. • Д ист роф ічна кальциф ікація. у цьому разі мета болізм кальцію нормальний, але він відкладається в ушкоджених або нежиттєздатних тканинах, таких як ділянки некрозу будь-якого типу. Вона поширена при вираженому атеросклерозі артерій (глава 10). Дистрофічна кальцифікація може бути як випадко вим проявом, що свідчить про незначну травму клі тин у минулому, так і причиною дисфункції органів. Наприклад, вона може розвинутися при старінні або ушкодженні клапана серця, у результаті чого значно порушується його рухливість. Дистрофічна кальци фікація аортальних клапанів є важливою причиною аортального стенозу в осіб похилого віку (глава 11). Дистрофічна кальцифікація виникає внаслідок позаклітинного відкладення кристалічного кальцію фосфату в мембранозв'язаних везикулах, які можуть потрапляти з ушкоджених клітин, або внутрішньо клітинного відкладення кальцію в мітохондріях ста рих клітин. Вважають, що позаклітинний кальцій концентрується у везикулах через свою схильність до мембранних фосфоліпідів, тоді як фосфати накопичуються в результаті дії мембранних фосфатаз. Потім кристали збільшуються, утворюючи більші відкладення. • М ет аст ат ична кальциф ікація. Ця форма асоцію ється з гіперкальціємією і може виникати в нормаль них тканинах. Основними причинами гіперкальціємії є: (1) посилена секреція паратиреоїдного гормону (паратгормону) при первинній пухлині прищитоподібних залоз або продукування білків, пов'язаних із паратироїдним гормоном, іншими злоякісними пухлинами; (2) руйнування кістки внаслідок поси леного обміну (наприклад, хвороби Педжета), іммобілізації або пухлини (активація кісткового катаболізму, спричиненого множинною мієломою, лейкемією або дифузними метастазами у кістках); (3) розлади, пов'язані з вітаміном О, включаючи інток сикацію вітаміном О та єаркоїдоз (при яких макро фаги активують попередник вітаміну О); (4) ниркова недостатність, при якій відкладення кальцію фос фату призводить до вторинного гіперпаратиреозу. МОРФОЛОГІЯ Незалежно від локалізації солі кальцію під час м акроскопічного дослідження мають вигляд д р ібних білих гранул або згустків, часто визначаються як грубі відкладення. Д истроф ічна кальци фікація є по ш и р е но ю у ділянках казеозного некрозу при ту беркульозі. Іноді туберкульозний лімфатичний вузол перетво рюється на рентгеноконтрастний камінь. П ід час гістологічного дослідження кальцифікація має вигляд внутріш ньоклітинних та/ або позаклітинних базофільних відкладень. Із часом гетеротопічні кістки м ожуть утворюватися у вогнищ ах кальцифікації. Метастатична кальцифікація можлива в усіх тканинах орга нізму, але переважно уражує інтерстиційну тканину судинної системи, нирок, легень та слизової о бол онки шлунка. Відкла дення кальцію м орф ологічно нагадують такі при дистроф ічній кальцифікації. Х о ча вони, як правило, не зумовлюють клінічну дисф ункцію, великі кальцифікати в легенях можуть виявлятися на рентгенограмі й спричиню вати дихальну недостатність, а масивні відкладення у нирках (нефрокальциноз) - призводити до уш кодж ення нирок. РЕЗЮМЕ АНОМАЛЬНІ ВНУТРІШНЬОКЛІТИННІ ВКЛЮЧЕННЯ ТА КАЛЬЦИФІКАЦІЯ Аномальне відкладення різном анітних речовин у клітинах і тканинах є наслідком надм ірного споживання або поруш ен ня транспорту чи катаболізму. Відкладення ліпідів: • ж ирові зміни: накопичення вільних тригліцеридів у кліти нах у результаті надмірного споживання або поруш ення тр анспорту (часто через дефект синтезу транспортних білків); прояв о б о р о тн о го уш кодж ення клітини; • відкладення холестерину: результат дефектного катаболізму та надмірного споживання; виявляють у макрофагах і глад ких м’я зових клітинах судинної стінки при атеросклерозі. Старіння клітин • Відкладення білків: реабсорбовані білки в ни рков и х канальцях; імуноглобуліни в плазматичних клітинах. • Відкладення глікогену: у макрофагах унаслідок дефекту лізо сомальних ферментів, які поруш ую ть обм ін глікогену (хв о р о би накопичення глікогену). • Відкладення пігментів: як правило, неперетравлювальні піг менти, такі як вуглець, ліпофусцин (продукт п е роксид ного окиснення ліпідів) або гемосидерин (зазвичай виникає вна слідок надмірного депонування, як при гемосидерозі). • Патологічна кальцифікація: • дистрофічна кальцифікація: відкладення кальцію в ділянках уш кодж ення клітин і вогнищ ах некрозу; • метастатична кальцифікація: відкладення кальцію в н о р мальних тканинах, спричинене гіперкальціємією (зазвичай унаслідок надлишку паратироїдного гормону). СТАРІННЯ КЛІТИН Людина старіє, тому що її клітини старіють. Хоча увага громадськості до процесів старіння традиційно зосереджена на її косметичних проявах, старіння має важливі наслідки для здоров'я, оскільки вік - це один із найсильніших незалежних факторів ризику для багатьох хронічних захворювань, таких як рак, хво роба Альцгеймера та ішемічна хвороба серця (ІХС). Можливо, одне з найяскравіших відкриттів стосовно старіння клітин полягає в тому, що це не просто наслі док «вичерпаного» резерву клітини, а процес, який регулює обмежена кількість генів та сигнальних шля хів, еволюційно успадкованих ссавцями від дріжджів. Старіння клітин є наслідком поступового змен шення тривалості життя та функціональної актив ності клітин. Кілька аномалій зумовлюють старіння клітин (рис. 2.27): • Н акопичення мут ацій у ДНК. Численні метаболічні чинники із часом можуть призвести до ушкодження ДНК ядер та мітохондрій. АФК, індуковані токси нами та радіаційним впливом, спричинюють ушко дження ДНК, пов'язане зі старінням. Незважаючи на те що більшість цих ушкоджень відновлюються Чинники довкілля та Укорочення за допомогою спеціальних ферментів, деякі зберіга ються і накопичуються з віком, особливо якщо меха нізми репарації з часом стають неефективними. Накопичення мутацій у ДНК ядер та мітохондрій урешті-решт погіршує функціональну активність і виживання клітин. • С повільнення р еп лікац ії клітин. Звичайні клітини (крім стовбурових клітин) мають обмежену здат ність до реплікації; після фіксованої кількості поді лів вони залишаються в незмінному стані, відомому як реплікативне старіння. Старіння організму асоці юється із прогресивним реплікативним старінням клітин. У дітей клітини здатні пройти більше циклів реплікації, ніж в осіб похилого віку. На відміну від цього клітини хворих із синдромом Бернера - рід кісним захворюванням, що характеризується перед часним старінням, мають зменшену тривалість жит тя іп гпіго. Реплікативне старіння відбувається унаслідок прогресивного вкорочення теломер, що врештірешт призводить до зупинки клітинного циклу. Теломери - короткі повторювані послідовності ДНК, наявні на кінцях хромосом, які відіграють важли ву роль для забезпечення повної реплікації кінців хромосом і для захисту їх від розщеплення та дегра дації. Вони також зв'язують білки, що захищають теломери, запобігаючи активації відповіді на ушко дження ДНК. При реплікації соматичних клітин невелика частина теломер не дублюється, а самі теломери поступово вкорочуються. Унаслідок цього кінці хромосом стають незахищеними і сприйма ються у клітинах як ушкоджені ДНК, що сигналізує про зупинку клітинного циклу. Довжина теломер підтримується приєднанням нуклеотидів за допо могою фермента теломерази. Це спеціалізований РНК-білковий комплекс, який використовує власну РНК як шаблон для приєднання нуклеотидів до кін ців хромосом. Теломераза виражена у зародкових клітинах, у незначній кількості наявна у стовбуро вих клітинах, але відсутня у більшості соматичних клітин (рис. 2.28). Тому, коли зрілі соматичні кліти ни старіють, їх теломери стають коротшими, і вони Порушення Зниження Рис. 2.27. М е х а н ізм и , ідо с п р и чи н я ю ть с тар інн я кл іти н т а п р о ти д ію ть йому. Ушкодження Д Н К, реплікативне старіння, а також зменшена кількість і неправильне збирання білків є одними з найкраще описаних механізмів старіння клітин. Деякі екологічні чинники, такі як зниження калорійності раціону, протидіють старінню, активуючи різні сигнальні шляхи та фактори транскрипції. ІФР - інсуліноподібний фактор росту; А Ф К - активні форми кисню; тТОЯ - мішень рапаміцину ГЛАВА 2 Ушкодження клітини, загибель клітини та адаптація Збільшення віку Послідовність ТТАССС Повторний поділ клітин Теломери Старіння теломер 1 Реактивація Реакція на ушкодження ДНК Проліферація дефектних клітин теломерази Старіння зрілих клітин Рак Вичерпання запасу стовбурових клітин/клітин-попередників Дисфункція тканин (старіння) Збільшення віку Повторний поділ клітин Рис. 2 .2 8 . Роль тел о м е р і тел о м е р а зи в р еп л іка ти в н о м у стар інн і кліти н: А - механізми та наслідки старіння теломери. Повторний поділ клітин, пов'язаний зі старінням, призводить до прогресивного вкорочення теломер, що спричинює старіння і зменшення кількості стовбу рових клітин. Б - старіння теломер характерне для соматичних клітин. Стовбурові клітини підтримують свої теломери і, отже, здатні до більшої кількості циклів реплікації. Ракові клітини часто активують теломеразу і в такий спосіб здатні підтримувати довжину теломер виходять із клітинного циклу, у результаті чого неможливо утворити нові клітини, щоб замінити ушкоджені. І навпаки, у безсмертних ракових кліти нах теломераза зазвичай відновлюється, і довжина теломер стабільна, що уможливлює безперервну проліферацію клітин (глава 6). Окрім того, укоро чення теломер теж може знизити регенераційну здатність стовбурових клітин, що також зумовлює старіння клітин. Однак, незважаючи на наведені спостереження, взаємозв'язок активності теломера зи і довжини теломер у процесі старіння ще повніс тю не визначено. Порушення структури теломер асоціюються із багатьма захворюваннями, такими як апластична анемія та інші цитопенії (їх причи ною вважають дефіцит гемоноетичних стовбурових клітин), передчасне посивіння волосся, порушення пігментації шкіри та нігтів, фіброз легень і печінки тощо. Ці розлади іноді називають прототипними теломеропатіями. • П оруш ення гом еост азу білків. Із часом клітини втрачають здатність підтримувати нормальний гомеостаз через порушення структури та дефіцит білків, зумовлений сповільненням їх трансляції і недостатньою активністю шаперонів (які сприяють нормальному збиранню білків) та протеасом (що руйнують неправильно зібрані білки). Унаслідок цього зменшення кількості внутрішньоклітинних білків може справляти негативний вплив на вижи вання, реплікацію та функції клітин. Супутнє нако пичення дефектних білків посилює руйнування функціональних білків і може спричинити апоптоз. • Спостерігається великий інтерес до визначення біо хімічних сигнальних шляхів, які протидіють проце су старіння не тільки через їх очевидний терапев тичний потенціал (пошук «еліксиру молодості»), а й тому, що вивчення цих шляхів може розповісти нам про механізми старіння. Виявлено, що знижен ня калорійності раціону сповільнювало старіння та подовжувало життя у всіх видів живих істот, задіяних в експериментах: від мух до мишей. Нині вва жають, що зниження калорійності змінює сигнальні шляхи, які впливають на старіння (рис. 2.27). Серед біохімічних змін, пов'язаних зі зниженням калорій ності, які протидіють процесу старіння, зазначено недостатню активацію рецептора інсуліноподібного фактору росту, яку забезпечують численні кінази та фактори транскрипції. Ослаблення сигналізації інсуліпоподібного фактору росту-1 знижує темпи росту клітин й обміну речовин, а також, можли во, зменшує кількість помилок під час реплікації ДНК, поліпшує репарацію ДНК і гомеостаз білків. Зниження калорійності, окрім того, підвищує імуні тет. Усе це гальмує старіння. • П ост ійне запалення. З віком накопичення ушко джених клітин, ліпідів та інших ендогенних речо вин може активізувати інгібіторний шлях (глава 5), що призводить до постійного слабко вираженого запалення, яке своєю чергою спричинює хронічні Старіння клітин захворювання, такі як атеросклероз і цукровий діа бет 2-го типу. Цитокіни, утворені під час запальних реакцій, самі можуть індукувати зміни, що посилю ють старіння, а хронічні порушення обміну речо вин можуть прискорити цей процес. Результати клінічних спостережень та епідеміоло гічних досліджень показали, що фізична активність і, як згадувалося раніше, зниження калорійності раціону сповільнюють процес старіння, тоді як стреси, можли во, унаслідок посиленого продукування глюкокортикощів, прискорюють його. На жаль, точні механізми, що лежать в основі цих ефектів, залишаються невизначеними, і поки ми всі залишаємося вразливими до вікових змін. о РЕЗЮ МЕ СТАРІННЯ КЛІТИН • Є результатом поєднання кількох п рогресивних змін у кліти нах, у тому числі: • накопичення деф ектних Д Н К та мутацій; • реплікативного старіння: зниження здатності клітин розпіз навати вкорочені кінці хром осом (теломери); • поруш ення гомеостазу білків: втрата нормальних білків та накопичення неправильно зібраних білків. • Старіння посилю ю ть хр о нічні захворювання, особливо зу мовлені тривалим запаленням і стресом, а сповільнюють зниження калорійності раціону та фізичні вправи. Очевидно, що різноманітні форми розладів й адап тації клітин, описані в цій главі, охоплюють широкий спектр, починаючи від оборотних і необоротних форм гострого ушкодження клітин й адаптації розміру клітини, її росту та функцій до значних неминучих наслідків старіння. Ми робимо посилання на ці про цеси повсюди у книзі, тому що всі випадки ураження органів і, зрештою, усі випадки клінічного захворюван ня виникають унаслідок порушення структури клітин та їхніх функцій. РЕК О М ЕН Д О В А Н А Л ІТ ЕРА Т У РА Саіасіо К.Т. Теїотеге сіізеазез / К.Т. Саіасіо, N.5. ¥оип§ // N Еп§1 ] Месі 361:2353, 2009. [Відмінний огляд біології теломер і того, як їх аномалії можуть зумовлювати рак, старіння та інші захворювання.] Саісіит іп сеІІ іп)игу апсі сіеаіЬ / 2. Ооп§, Р. 5аікитаг, }.М. УУеіпЬег^ еіаі. / / Апп Кеу РаіЬої 1:405,2006. [Огляд зв'язку між відкладенням кальцію та ушкодженням клітин.] СеІІ сіеаіЬ / К.5. НоісЬкізз, А. Зігаззег, І.Е. МсОипп еі аі. // N Еп§1 ] Месі 361:1570, 2009. [Відмінний огляд основних шляхів загибелі клітин (некроз, апоптоз, аутофагія), їх клінічні наслідки і терапев тичне застосування.] СНоі А.М.К. АиіорЬа§у іп Ь и тап ЬеаІіЬ апсі сіізеазе / А.М.К. СЬоі, З.Куіег, В. Ьеуіпе // N Еп§1 ] Месі 368:7, 2013. [Чудове обговорення механізмів і значення аутофагії]. Ргеу N. Сагсііас ЬурегігорЬу: ІЬе §оосі, іЬе Ьасі, апсі іЬе и§1у / N. Ргеу, Е.ІЧ. Оізоп // Аппи Кеу РЬузіоІ 65:45, 2003. [Відмінний огляд механізмів гіпертрофії м'язів на прикладі серця.] Кепуоп С.]. ТЬе §епеіісз о£ а§еіп§ / С..|. Кепуоп // № іиге 464:504, 2010. [Відмінний огляд генів, які впливають на старіння, на прикладі генетичних синдромів людини та дослідження мутантних експери ментальних організмів.] ІатЬеїН /.О. ГчІох епгугпез апсі пе\у іЬіпкіп§ оп геасііуе оху§еп: а с1оиЬ1е-есі§есі з»огс! геуізііесі / ].0 . ЬатЬеіЬ, А.5. № ізЬ // Апп Кеу РаіЬої МесЬ Оіз 9:47,2014. [Обговорення активних форм кисню та їх ролі у фізіології й ушкодженні клітин.] Маг^иег Р.С. ТЬе гоіез о( сеііиіаг апсі ог§апізтаІ а§іп§ іп іЬе сіеуеіортепі оі Іаіе-опзеі таїасііез / Р.С. Магциег, У. Уоіоуік, Е. СоЬеп / / Апп Кеу РаіЬої МесЬ Оіз 10:1, 2015. [Огляд багатьох шляхів, за допомогою яких старіння клітин спричинює розвиток хронічних захворювань.] МсКіппеІІ І. УУ. Моїесиїаг т е с Ь а п ізт з о { ти зсіе аігорЬу / І.УУ. МсКіппеІІ, М.А. Кисіпіскі // СеІІ 119:907, 2004. [Обговорення механізмів атрофії клітин.] ШіИап С. Веуопсі охісіаііуе зігезз: ап ітти п о іо ц ізі'з §иіс1е іо геасііуе оху§еп зресіез / С. № іЬап, А. Сиппіп§Ьат-Виззе1 // N81 Кеу І т т и п о ї 13:349, 2013. [Відмінний сучасний огляд продукування, катаболізму, мети і дії активних форм кисню та їх роль у запаленні.] Nе^V£агй С.В. С о тіп § ої а§е: тоїеси їаг сігіуєгз оі а§іп§ апсі іЬегареиііс оррогіипіііез / С.В. №\у§агсі, N.Е. ЗЬагрІезз / / ] Сііп іпуєзі 3:946, 2013. [Огляд ключових молекулярних шляхів старіння.] Оакез 5.А. ТЬе гоїе оі епсіоріазтіс геііси їит зігезз іп Ьи тап раіЬо1о§у / 5.А. Оакез, Р.К. Рара // Апп Кеу РаіЬої МесЬ Оіз 10:173, 2015. [Сучасний огляд реакції неправильно зібраного білка та патогенетичної важливості ушкодження клітин, спричиненого неправильним збиранням білків.] Ке^иіаїеіі песгозіз : сіізеазе геїеуапсе апсі іЬегареиііс оррогіипіііез / М. Сопгасі, |.Р.Р. Ап§е1і, Р.УапсіепаЬееІе еі аі. // № 4 Кеу Оги§ Оізсоу, 15:348, 2016. [Огляд нещодавно виявлених шляхів загибелі клітин і можливих терапевтичних втручань]. Ке^иіаіесі песгозіз: іЬе ехрап<3іп§ пеі\уогк о£ поп-ароріоііс сеІІ сіеаіЬ раіЬіуауз / Т. Уапсіеп Вег§Ье, А. Ьіпкегшапп, 8. ]оиап-ЬапЬоиеі Єї аі. // N81 Кеу Мої СеІІ Віоі 15:135, 2014. [Сучасний огляд різних форм запрограмованих неапоптичних шляхів загибелі клітин.] ТІїе ВСЬ-2 іа т іїу геипіоп / ].Е. СЬірик, Т. МоИоуеапи, Р. ІЛатЬІ еі аі. / / Мої СеІІ 37:299, 2010. [Огляд біохімії та біології сімейства білків, які регулюють апоптоз ВСЬ-2]. ТІїе Наїїтагкз о( а§іп§ / С. Ьорег-Оііп, М.А. ВІазсо, Ь. РагІгі<і§е еі аі. // СеІІ 153:1194, 2013. [Огляд, який пропонує дев'ять ознак старіння та напрями майбутніх досліджень.] ТозН О. Ноуу сеііз сЬап§е іЬеіг рЬепоІуре / О. ТозЬ, ].М. 51аск // N81 Кеу Мої СеІІ Віоі 3:187, 2002. [Огляд метаплазії та ролі стовбуро вих клітин і генетичного перепрограмування.] 57 Г Л А В А Запалення і репарація основним зміст Загальна характеристика запалення: визначення і загальні ознаки П ричини запалення Заключний етап гострої запальної 59 відповіді клітин Гостре запалення Цитокіни і хемокіни 62 Судинні реакції при гострому запаленні 62 Мобілізація лейкоцитів у вогнище Ушкодження тканин, опосередковане 71 Інші функціональні реакції активованих лейкоцитів 16 Система комплементу запалення 18 12 80 85 89 90 Загальна характеристика репарації 81 тканин 90 Репарація шляхом рубцювання 81 91 93 Чинники, які сповільнюють репарацію 81 тканин 82 96 Клінічні приклади аномального загоєння ран Наслідки го стр о го запалення Запалення - це відповідь васкуляризованих тканин на інфекцію та ураження тканин, завдяки якій для знешкодження провокувальних чинників клітини і молекули імунного захисту мобілізуються із кро вотоку до тих ділянок, де вони необхідні. Фактично воно є захисною реакцією, необхідною для виживання. Запалення позбавляє організм як первинної причини ушкодження клітин (наприклад, мікробів, токси нів), так і наслідків такого ушкодження (наприклад, некротичних клітин і тканин). До медіаторів захисту належать фагоцитарні лейкоцити, антитіла та білки системи комплементу (рис. 3.1). За нормальних умов більшість із них циркулює у крові у вигляді секвестрів, тому не ушкоджує нормальні тканини, але вони здатні швидко мобілізуватися до будь-якої ділянки в організ мі. Деякі із клітин, задіяних у запальних реакціях, також є резидентами у тканинах, де вони функціонують як охоронці, що сповіщають про загрозу. Процес запален ня мобілізує лейкоцити і білки до чужорідних агентів (зокрема мікробів) й уражених або некротичних тка нин, а також активує мобілізовані клітини та молекули, функцією яких є видалення шкідливих речовин. Без запалення Регенерація клітин і тканин Гнійне запалення, абсцес ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ЗАПАЛЕННЯ: ВИЗНАЧЕННЯ І ЗАГАЛЬНІ ОЗНАКИ Клітини і медіатори хронічного Репарація тканин 81 Фібринозне запалення Виразки 14 84 84 Системні ефекти запалення Інші медіатори запалення Серозне з апалення 68 лейкоцитами 14 М орф ологічна картина гостр о го 64 Фагоцитоз і знешкодження провокувального чинника Морфологічні ознаки Метаболіти арахідонової кислоти 61 запалення 73 Вазоактивні аміни: гістамін і серотонін Розпізнавання мікробів та уражених 84 Причини хронічного запалення М едіатори запалення 61 Х р о н ічн е запалення 12 83 і рубцювання 96 запалення інфекції не зустрічали б жодних перешкод, рани ніколи б не загоювалися, а ушкоджені тканини могли б залишатися у вигляді перманентних виразок, які би гноїлися. Типова запальна реакція розвивається унаслідок послідовних етапів: • провокувальний чинник, який локалізується у позасудинному просторі, розпізнається клітинами й молекулами організму; • лейкоцити і білки плазми мобілізуються із кровото ку до того місця, де локалізується провокувальний чинник; • зазначені лейкоцити й білки активуються і взаємо діють з метою руйнування та видалення провоку вального чинника; • реакція контролюється і закінчується; • уражена тканина відновлюється. Запалення може бути двох типів - гостре і хроніч не (табл. 3.1). Первинну швидку відповідь на інфекцію та ураження тканин називають гострим запаленням. Воно зазвичай розвивається протягом кількох хвилин або годин і триває недовго: від кількох годин до кількох днів. Основними його характеристиками є ексудація рідини й білків плазми (набряк) та міграція лейкоцитів, переважно нейтрофілів (які також називають поліморфноядерними лейкоцитами). Коли гостре запалення досягає бажаної мети - видалення провокувальних чинників, ГЛАВА 3 Запалення і репарація Мікроби Некротична тканина X го ■=! О сі Розпізнавання макрофагами, іншими клітинами-«захисниками» в тканинах Дендритна клітина Тучна клітина | го 9: ш О X< Макрофаг Медіатори (аміни, цитокіни) О го ^ < ш с Розширення судин, під вищення їх проникності со § ^ Набряк Макрофаг Цитокіни, фактори росту Фібробласти Видалення м ік робів, некро тичної тканини І 4 Білки й клітини позаклітинного матриксу Репарація Рис. 3.1. Послідовність етапів запальної реакції. Макрофаги та інші клітини у тканинах розпізнають мікроби й уражені клітини і вивільнюють медіатори, які зумовлюють судинні й клітинні запальні реакції. Мобілізацію білків плазми крові не показано реакція згасає і відбувається репарація залишкового ушкодження. Якщо первинній відповіді не вдається усу нути цей подразник, реакція прогресує до затяжного типу запалення, яке називають хронічним запаленням. Як буде показано далі у цій главі, хронічне запалення може бути наступним етапом після гострого або вини кати Ае поію. Воно є тривалішим і пов'язане із більшим руйнуванням тканин, наявністю лімфоцитів та макро фагів, проліферацією кровоносних судин і фіброзом. Таблиця 3.1. Ознаки гострого й хронічного запалення Ознака Гостре запалення Хронічне запалення Початок Швидкий: кілька хви лин або годин Повільний: кілька днів Клітинний інфільтрат Переважно нейтро філи Моноцити/макрофаги та лімфоцити Ушкодження тканин, фіброз Зазвичай незначне, локальне Може бути тяжким і про гресивним Місцеві й сис темні ознаки Виражені Менше виражені Запалення індукують хімічні медіатори, які продукуються клітинами організму у відповідь на шкідливі подразники. Коли в тканину потрапляє мікроб або вона ушкоджується, наявність інфекції чи ураження розпізнають резидентні клітини - макро фаги, дендритні клітини, тучні клітини та інші типи клітин. Ці клітини секретують молекули (цитокіни й інші медіатори), які індукують і регулюють подальшу запальну відповідь. Медіатори запалення також про дукуються із білків плазми, що реагують на мікро би або продукти некротичних клітин. Деякі із цих медіаторів сприяють відтоку плазми та мобілізації циркулюючих лейкоцитів до місця локалізації провокувального чинника. Крім того, медіатори активують мобілізовані лейкоцити, посилюючи їхню здатність руйнувати й видаляти провокувальний чинник. Розуміння ролі хімічних медіаторів важливе тому, що специфічні медіатори є мішенню для більшості протизапальних лікарських засобів. Ми докладно роз глянемо медіатори запалення пізніше, після огляду основних етапів запальних реакцій. Зовнішніми проявами запалення, які часто нази вають його основними симптомами, є підвищення температури тіла (латинською мовою «саіог»), почер воніння («гиЬог»), набряк («Іитог»), біль («сіоіог») і порушення функції («£ипсі:іо Іаева»). Перші чотири з них понад 2000 років тому описав римський енци клопедист на ім'я Цельс, автор знаменитого в ті часи тексту «Ое Месіісіпа», а п'ятий наприкінці XIX ст. додав Рудольф Вірхов, відомий як «батько сучасної пато логії». Із подальшого розгляду стане очевидним, що зазначені прояви виникають унаслідок судинних змін і мобілізації та активації лейкоцитів. Хоча за нормальних умов вона є захисною, у деяких випадках запальна реакція стає причиною захво рювання, домінантною ознакою якого виступає зумовлене нею ураження. Так, запальні реакції на вплив інфекційного агента часто супроводжуються місцевим ураженням тканин і пов'язаними з ним озна ками та симптомами (наприклад, болем і порушенням функції). Однак, як правило, ці шкідливі наслідки характеризуються самообмеженням і повністю зника ють після вщухання запальної реакції або залишають після себе незначне постійне ураження. Водночас є чимало хвороб, при яких запальна реакція має непра вильний напрямок (наприклад, проти своїх тканин при аутоімунних хворобах), виникає проти зазвичай нешкідливих чинників довкілля, які зумовлюють імун ну відповідь (наприклад, при алергії), або триває над міру довго (наприклад, при інфекціях, збудники яких чинять супротив своєму знищенню). Запальні реакції лежать в основі поширених хро нічних хвороб, таких як ревматоїдний артрит, ате росклероз і фіброз легень, а також загрозливих для життя реакцій підвищеної чутливості до укусів комах, лікарських засобів і токсинів (табл. 3.2). Із цієї причини в наших аптеках багато протизапальних препаратів, які можуть ідеально контролювати шкідливі наслід ки запалення, але не заважають його корисній дії. Насправді запалення може призводити до різноманіт них хвороб, які насамперед вважають метаболічними, дегенеративними або генетичними розладами, таких як цукровий діабет 2-го типу, хвороба Альцгеймера і рак. Отже, протизапальні препарати можуть відіграва- Розпізнавання мікробів та уражених клітин Таблиця 3.2. Розлади*, спричинені запальними реакціями Захворювання Клітини й молекули, які залучаються у процес Гострий процес Гострий респіраторний дистрес-синдром Нейтрофіли Астма Еозинофіли; антитіла І§Е Гломерулонефрит Антитіла і система комплементу; нейтрофіли, моноцити Септичний шок Цитокіни Хронічний процес А ртрит Лімфоцити, макрофаги; антитіла? Астма Еозинофіли; антитіла І§Е Атеросклероз Макрофаги; лімфоцити Легеневий фіброз Макрофаги; фібробласти * Наведено кілька прикладів хвороб, при яких запальна відповідь відіграє значну роль в ушкодженні тканин. Деякі з них, такі як астма, можуть проявлятися гострим запаленням або хронічною хворобою з неодноразовими гострими на падами. Ці хвороби та їхній патогенез обговорюються у відповідних главах. ти набагато важливішу роль, ніж та, яка їм відводить ся натепер. Визнаючи широкий діапазон шкідливих наслідків запалення, неспеціалізована преса досить мелодраматично ставиться до нього як до «мовчазного вбивці». За розвиток тяжкого захворювання відповідає не лише надмірне, й дефективне запалення. Причиною невираженого запалення, яке типово проявляється під вищеною чутливістю до інфекцій, найчастіше є змен шення кількості лейкоцитів у результаті заміщення кісткового мозку раковими клітинами і його пригні чення препаратами проти раку та відторгнення транс плантатів. Згадаємо, що лейкоцити - клітини імунної відповіді - походять від клітин-попередників у кістко вому мозку, тому й продукування зрілих лейкоцитів зменшується внаслідок будь-якого порушення функ цій кісткового мозку. Успадковані генетичні аномалії функції лейкоцитів є рідкісними, але вони дають цінну інформацію щодо механізмів лейкоцитарної відповіді. Ці стани описано у главі 5, у контексті імунодефіцитних хвороб. Запалення вщухає після видалення провокувального чинника. Зазначена реакція завершується, тому що медіатори розщеплюються і розсіюються, а життєвий цикл лейкоцитів у тканинах короткий. Окрім того, активуються протизапальні механізми, призначені для контролю відповіді й запобігання над мірному ураженню організму. Після того як запален ня досягло своєї мети щодо видалення провокувальних чинників, воно ініціює процес репарації тканин, який складається із послідовних етапів загоювання ураженої тканини. При цьому ушкоджена тканина заміщується шляхом регенерації тих клітин, що вижи ли, а залишкові дефекти заповнюються сполучною тканиною {рубцювання). На початку цієї глави описано етіологію запалення та його провокувальні чинники, а потім - послідовність подій, медіатори й морфологічну картину гострого запалення. Далі обговорюється хронічне запалення, а після нього - процес репарації тканин. ПРИЧИНИ ЗАПАЛЕННЯ Запальні реакції можуть ініціюватися різноманітними чинниками, такими як: • Ін ф екц ії (бактеріальні, вірусні, грибкові, паразитар ні) та м ік р об н і т окснни - одні з найпоширеніших і важливих із погляду медицини причин запалення. Різні інфекційні патогени зумовлюють чітко вира жені запальні відповіді: від незначного гострого запалення, яке успішно знешкоджує інфекцію (три вале ураження при цьому може бути незначним або зовсім відсутнім), до тяжких системних реакцій із можливим летальним наслідком і до тривалих хронічних реакцій, які спричинюють значне ушко дження тканин. Морфологічна картина запальної відповіді може бути корисною для розпізнавання її етіології (див. далі). • Н екроз т канин спричинює запалення без будьякої залежності від причин загибелі клітин, якими можуть бути ішемія (зменшення припливу крові, причина інфаркту міокарда), травма й фізичне та хімічне ушкодження (наприклад, теплова травма, як при опіках або обмороженні; опромінення; дія деяких хімічних речовин довкілля). Відомо, що запалення запускається кількома молекулами, які вивільняються із некротичних клітин; деякі з них описано далі. • С т оронні т іла (осколки, часточки бруду, шовний матеріал) можуть призводити до спонтанного запа лення або внаслідок травматичного ушкодження тканин чи потрапляння мікробів. Потенційно шкід ливе запалення стимулюють навіть деякі ендогенні речовини, якщо вони у великих кількостях відкла даються у тканинах; до таких речовин належать кристали сечової кислоти (при подагрі) і холестери ну (при атеросклерозі). • Ім унні р еа к ц ії (їх також називають гіперчутливістю) - реакції, при яких імунна система, що за нор мальних умов виконує захисну функцію, уражує власні тканини. Патологічні імунні реакції можуть скеровуватися проти власних антигенів, спричи нюючи аутоімунні хвороби, або бути неадекватними реакціями на чинники довкілля, як це відбувається при алергії, або на мікроби. Запалення - основна при чина ушкодження тканин при зазначених хворобах (глава 5). Оскільки видалити подразники запальних реакцій при аутоімунних і алергійних хворобах (власні й природні антигени) неможливо, ці реак ції часто характеризуються тривалим перебігом і лікування їх ускладнене; вони нерідко пов'язані із хронічним запаленням і виступають важливими причинами захворюваності й смертності. РОЗПІЗНАВАННЯ МІКРОБІВ ТА УРАЖЕНИХ КЛІТИН Перший етап запальної реакції - це розпізнавання мікробів і некротичних клітин клітинними рецеп торами та циркулюючими білками. Клітини й рецеп тори, що розпізнають збудників, виникли в процесі еволюції як адаптація багатоклітинних організмів до ГЛАВА 3 Запалення і репарація наявності мікробів у навколишньому середовищі, і ті відповіді, які вони запускають, мають вирішальне значення для виживання. • К л іт и н н і р е ц е п т о р и д л я м ік р о б ів . Фагоцити, ден дритні клітини (клітини в епітелії та всіх тканинах, функцією яких є захоплення мікробів) і багато інших клітин експресують рецептори, що визнача ють наявність інфекційних патогенів. Нині найкра ще описано представників сімейства Тоїі-подібних рецепторів (ТЬК), які отримали назву за своїм членом-засновником - геном Тоїі, виявленим у дрозо філ (глава 5). ТЬК містяться у плазматичних мембра нах та ендосомах, тому вони здатні виявляти поза- і внутрішньоклітинні мікроби. У цитоплазмі клітин наявні й інші мікробні сенсори. ТЬК розпізнають компоненти, які є спільними для багатьох мікробів; їх часто називають патоген-асоційованими молеку лярними патернами. Розпізнавання мікробів цими рецепторами стимулює продукування та експресію низки мембранних і секреторних білків. До цих білків належать цитокіни, які індукують запалення, противірусні цитокіни (інтерферони) та цитокіни й мембранні білки, які сприяють активації лімфо цитів і зумовлюють виражену імунну відповідь. Ми повернемося до ТІ_К детальніше у главі 5, коли обговорюватимемо природжений імунітет - ранній захист від інфекцій. • С е н с о р и у р а ж е н н я к л іт и н . У всіх клітинах є цитозольні рецептори, що розпізнають ті молекули, які вивільняються або змінюються унаслідок ураження клітин; тому їх називають молекулярними струк турами, асоційованими з ушкодженням (МСАУ). До цих молекул належать сечова кислота (продукт розщеплення ДНК), АТФ (який вивільнюється з уражених мітохондрій), йони калію (у разі зни ження внутрішньоклітинної концентрації К+ вна слідок ушкодження плазматичної мембрани), ДНК (коли вона вивільнюється у цитоплазму, а не секве струється в ядрах, як це має бути в нормі) та багато інших. Зазначені рецептори активують мультипротеїновий цитозольний комплекс, який називають інфламасомою; вона індукує синтез інтерлейкіну-1 (ІЬ-1), який мобілізує лейкоцити і в такий спосіб індукує запалення (див. далі). Модифікація функ ції цитозольних рецепторів є причиною рідкісних захворювань, відомих під назвою аутозапальних синдромів, які характеризуються спонтанним запа ленням; ці розлади ефективно усувають антагоніс ти ІЬ-1. Інфламасома також причетна до запальних реакцій на кристали сечової кислоти (при подагрі), кристали холестерину (при атеросклерозі), ліпіди (при метаболічному синдромі й цукровому діабеті, пов'язаному з ожирінням) та відкладення амілоїду в головному мозку (при хворобі Альцгеймера). Ці розлади обговорюються у відповідних главах. • Ц и р к у л ю ю ч і б іл к и . Декілька білків плазми розпізна ють мікроби і виконують функції щодо руйнування тих мікробів, які переносяться кров'ю, та стимуляції запалення у тканинних вогнищах інфекції. Система комплементу реагує на мікроби і продукує медіа тори запалення (див. далі). Циркулюючий білок, який називають манозозв'язаним лектином, розпізнає мікробні цукри і сприяє захопленню мікробів й активації системи комплементу. Також зв'язуються з мікробами і зумовлюють їх фагоцитоз інші білки, які мають назву колектинів. РЕЗЮ МЕ ЗАГАЛЬНІ ОЗНАКИ І ПРИЧИНИ ЗАПАЛЕННЯ • Запалення є корисною відповіддю організму на чужорідні агенти і некротичні тканини, але воно може спричиняти ура ження тканин. • Основні компоненти запалення - судинна реакція та клітин на відповідь; вони активуються медіаторами, які продукують білки плазми й різноманітні клітини. • Існує п’ять етапів запальної відповіді: (1) розпізнавання провокувального чинника; (2) мобілізація лейкоцитів; (3) вида лення провокувального чинника; (4) регуляція (контроль) відповіді; (5) відновлення структури (репарація). • До причин запалення належать інфекції, некроз тканин, сто ронні тіла, травма та імунні реакції. • Епітеліальні клітини, тканинні макрофаги й дендритні клітини, лейкоцити та інші типи клітин експресують рецептори, які реагують на наявність мікробів і некротичних клітин. Цирку люючі білки розпізнають мікроби, що потрапили у кров. • Результатом гострого запалення є або видалення шкідливо го подразника з наступним згасанням реакції та репарацією ураженої тканини, або тривале ушкодження, яке призводить до хронічного запалення. ГОСТРЕ ЗАПАЛЕННЯ Гостре запалення характеризується такими основни ми етапами, як (1) розширення дрібних судин, що зумовлює посилення кровотоку, (2) підвищена про никність мікроциркуляторного русла, що дає змогу білкам плазми і лейкоцитам залишати кровоносне русло, та (3) міграція лейкоцитів із мікроциркуля торного русла, їх накопичення у вогнищі запален ня та активація для видалення провокувального чинника (див. рис. 3.1.). Виявивши шкідливі агенти, наприклад, мікроби або мертві клітини, фагоцити, які є резидентами в усіх тканинах, намагаються видалити їх. Водночас фагоцити та інші клітини-охоронці розпіз нають наявність чужорідної або аномальної речовини і реагують вивільненням розчинних молекул - медіато рів запалення. Деякі із цих медіаторів діють на дрібні кровоносні судини, розміщені поруч, і сприяють відто ку плазми та мобілізації циркулюючих лейкоцитів до місця локалізації провокувального чинника. Судинні реакції при гострому запаленні Реакції кровоносних судин у разі гострого запалення включають зміни кровотоку і проникності судин; призначенням цих змін є максимальний транс порт білків плазми та лейкоцитів із кровоносного русла до вогнища інфекції або ураженої ділянки. Просочування рідини, білків або клітин крові із судин ної системи у проміжну тканину або серозні порож нини дістало назву ексудація (рис. 3.2). Ексудат - позаєудинна рідина, яка має високу концентрацію білків і містить продукти розпаду клітин. Наявність ексудату свідчить про підвищену проникність стінок дрібних кровоносних-судин, типову для запальної реакції. На Гостре запалення Гідростатичний тиск ^ А = НОРМА | Колоїдний осмотичний тиск Білки плазми Відсутність виходу рідини або білків Збільшення міжендотеліальних проміжків Б В ЕКСУДАТ (високий рівень білків, може містити незначну кількість лейкоцитів та еритроцитів) ТРАНССУДАТ (низький рівень білків, мало клітин) Підвищений гідростатичний тиск (утруднений відтік венозної крові [наприклад, застійна серцева недостатність]) Розширення судин і стаз Знижений колоїдний осмотичний тиск (недостатній синтез білків [наприклад, захво рювання печінки]; посилена втрата білків [наприклад, захворювання нирок]; білкове голодування [наприклад, квашіоркор]) Вихід рідини Рис. 3.2. у т в о р е н н я е ксуд атів і транссудатів: А - нормальний гідростатичний тиск (синя стрілка) становить приблизно 32 мм рт. ст, в артеріальному сегменті капілярного ложа і 12 мм рт. ст. - у венозному сегменті; середній колоїдно-осмотичний тиск у тканинах - приблизно 25 мм рт. ст. (зелена стрілка), що дорівнює середньому капілярному тиску. Відповідно, власного потоку рідини через судинне ложе майже немає. Б - ексудат (високий рівень білків, може містити незначну кількість лейкоцитів та еритроцитів); формується при запаленні тому, що в результаті ретракції ендотеліальних клітин підвищується проникність судин, утворюючи проміжки, через які можуть виходити рідина й білки. В - транссудат (низький рівень білків, мало клітин); формується тоді, коли рідина виходить унаслідок підвищення гідростатичного тиску або зниження осмотич ного тиску відміну від нього транссудат - це рідина із малим уміс том білків, невеликою кількістю або відсутністю клітин і низькою густиною. У результаті осмотичного або гідростатичного дисбалансу через судини із нормаль ною проникністю продукується саме ультрафільтрат плазми крові (глава 4). Набряк свідчить про надлишок рідини у проміжній тканині або серозних порожнинах; це може бути або ексудат, або транссудат. Гній, гнійний ексудат - запальний ексудат, що багатий на лейкоцити (переважно нейтрофіли), продукти розпаду клітин і зазвичай містить мікроби. Зміни кровот оку і внут ріш нього діамет ра судин Зміни кровотоку та внутрішнього діаметра судин роз починаються невдовзі після ушкодження і включають такі етапи: • Розширення судин індукується дією кількох меді аторів, особливо гістаміну, на непосмуговані м'язи судин. Це один із ранніх проявів гострого запа лення, і йому може передувати скороминуще зву ження судин. Спочатку розширюються артеріоли, а потім утворюються нові капіляри в цій ділянці. Результатом є збільшення припливу крові, що спричи нює нагрівання і почервоніння (еритему) у вогнищі запалення. • Після розширення судин швидко підвищується проникність мікроциркуляторного русла і багата на білки рідина (ексудат) потрапляє в позасудинний простір. • Втрата рідини та збільшення діаметра судин при зводить до сповільнення кровотоку, скупчення еритроцитів у мікросудинах і підвищення в'язкості крові. У результаті цих змін відбуваються стаз кро ві й переповнення нею дрібних судин, які містять багато еритроцитів, що повільно рухаються; мікро скопічно зазначені зміни є застоєм у судинах, а зовні виглядають як локалізоване почервоніння (еритема) ураженої тканини. • Із розвитком стазу відбувається накопичення лейко цитів крові, насамперед нейтрофілів, уздовж судин ного ендотелію. Водночас ендотеліальні клітини активуються медіаторами, які продукуються у вог нищах інфекції та ураження тканин, й експресують підвищені рівні адгезивних молекул. Потім лейко цити склеюються з ендотелієм і незабаром після цього мігрують через судинну стінку у проміжну тканину в певній послідовності (див. далі). П ідвищ ена проникніст ь судин (судинне прот ікання) Підвищену проникність судин при гострому запален ні зумовлюють декілька механізмів (рис. 3.3), до яких належать: • Р ет ракція ендот еліальних клітин, у результаті якої відкриваються міжендотеліальні проміжки, найпоширеніший механізм судинного протікання. Її спричинюють гістамін, брадикінін, лейкотрієни та інші хімічні медіатори. Вона швидко розвива ється після впливу медіатора (протягом 15-30 хв) і зазвичай триває недовго, тому її називають безпо середньою скороминущою відповіддю, на відміну від сповільненої тривалої відповіді, яка настає після ушкодження ендотелію і буде описана далі. 63 ГЛАВА 3 А Запалення і репарація неної медіаторами запалення, а також прямим і залеж ним від лейкоцитів ушкодженням ендотелію. НОРМА Лейкоцити Відповіді лімф ат ичних судин і лімф ат ичних вузлів Білки плазми Ендотелій Тканини Б РЕТРАКЦІЯ ЕНДОТЕЛІАЛЬНИХ КЛІТИН • Індукована гістаміном, іншими медіаторами • Швидка й скороминуща (хвилини) В УРАЖЕННЯ ЕНДОТЕЛІЮ • Спричинене опіками, деякими мікробними токсинами • Швидке, може бути три валим (від кількох годин до кількох діб) Рис. 3.3. О сно в ні м е х а н ізм и п ід в и щ е н н я п р о н и кн о с т і судин п ри з ап а л е н н і, їх н і о зн а ки т а п р и чи н и : А - норма. Б - ретракція ендотеліальних клітин. В - ураження ендотелію Окрім кровоносних судин у гострому запаленні також беруть участь лімфатичні судини. Система лімфа тичних проток і вузлів фільтрує позасудинну рідину і контролює її склад. Лімфатичні протоки дренують невелику кількість позасудинної рідини, що за нор мальних умов просочується із капілярів. При запаленні потік лімфи збільшується, щоб допомогти у дренуванні набрякової рідини, яка скупчується внаслідок підвище ної проникності судин. Окрім рідини в лімфу можуть потрапляти лейкоцити та продукти розпаду клітин, а також мікроби. Як і кровоносні судини, лімфатичні судини під час запальної реакції проліферують, щоб упоратися із підвищеним навантаженням. Може роз виватися вторинне запалення лімфатичних проток (лімфангіт) і лімфатичних вузлів (лімфаденіт). Запалені лімфатичні вузли часто збільшуються через надмірну кількість клітин. Ці патологічні зміни мають назву реактивного, або запального, лімфаденіту (глава 12). Для клініцистів наявність червоних штрихів біля рани на шкірі красномовно свідчить про їх інфікування. Ці змі ни відповідають ходу лімфатичних проток і слугують ознаками розвитку лімфангіту; вони можуть супрово джуватися болісним збільшенням дренувальних лім фатичних вузлів, що характерно для лімфаденіту. РЕЗЮМЕ С У Д И Н Н І РЕАКЦІЇ ПРИ ГО С ТР О М У ЗАП АЛЕНН І Основними ділянками такого швидкого підвищен ня проникності судин є посткапілярні венули. • у ш к о д ж ен н я е н д о т е л ію , яке призводить до некрозу й відшарування ендотеліальних клітин. Безпосереднє ураження ендотелію спостерігається при тяжкій травмі (наприклад, при опіках) або інду коване впливом мікробів і мікробних токсинів, спря мованим на ендотеліальні клітини. Ушкоджувати ендотеліальні клітини і тим самим посилювати реакцію також можуть нейтрофіли, які при запален ні склеюються з ендотелієм. Здебільшого судинне протікання починається одразу після ушкодження і триває кілька годин, аж поки не відбудеться тромбування або репарація уражених судин. • Трансцит оз - посилений транспорт рідин або біл ків через ендотеліальні клітини. Цей процес, доку ментально підтверджений на експериментальних моделях, може залучати міжклітинні канали, що відкриваються у відповідь на деякі чинники, такі як фактор росту судинного ендотелію (ФРСЕ, УЕСР), тим самим зумовлюючи судинне протікання. Його роль стосовно підвищеної проникності судин, яка спостерігається в організмі людини при гострому запаленні, ще не з'ясована. Хоча ці механізми підвищеної проникності судин описують окремо, можливо, що всі вони різною мірою зумовлюють відповідь на більшість подразників. Так, у різних стадіях термічного опіку судинне протікання є результатом ретракції ендотеліальних клітин, спричи- • Розширення судин індукується медіаторами запалення, та кими як гістамін (див. далі), і є причиною еритеми та стазу крові. • Підвищення проникності судин зумовлене гістаміном, кінінами й іншими медіаторами, які утворюють щілини між ендотеліальними клітинами; безпосереднім ушкодженням ендо телію або індукованим лейкоцитами; проходженням більшої кількості рідини через ендотелій. • Підвищена проникність судин дає змогу білкам плазми і лейкоцитам - медіаторам захисту організму - потрапити до вогнищ інфекції або ураження тканин. Витікання рідини із кровоносних судин (ексудація) призводить до набряку. • Лімфатичні протоки й вузли також залучаються у запальну ре акцію і часто характеризуються почервонінням та набряком. Мобілізація лейкоцитів у вогнище запалення Лейкоцити, які мобілізуються у вогнище запален ня, виконують ключову функцію щодо видалення провокувальних чинників. Найважливішими лей коцитами при типових запальних реакціях є ті, які здатні здійснювати фагоцитоз, а саме нейтрофіли й макрофаги. Нейтрофіли утворюються в кістковому мозку і швидко мобілізуються у вогнище запалення. Макрофаги реагують повільніше. Основні функції цих типів клітин вирізняються малопомітними, але важли вими ознаками: нейтрофіли використовують перебу дову цитоскелета і ферменти, щоб ініціювати швидкі й скороминущі реакції, тоді як довгоживучі макрофа ги формують більш повільні, але триваліші реакції, в основі яких зазвичай лежить нова генна транскрипція Гостре запалення Таблиця 3.3. Властивості нейтрофілів і макрофагів Х арактеристика Нейтрофіли Макрофаги Походження ГСК у кістковому мозку • ГСК у кістковому мозку (при запальних реакціях) • Багато макрофагів, які є резидентами в тканинах: стовбурові клітини у жовтковому мішку або печінці плода (у ранній стадії розвитку) Тривалість життя в тканинах 1-2 дні Запальні макрофаги: дні або тижні Макрофаги, які є резидентами в тканинах: роки Відповідь на активацію Швидка, нетривала, переважно дегрануляція і ферментативна активність Триваліша, повільніша, часто залежить від нової генної транскрипції • Активні форми кисню Швидко індукуються комплектуванням фаго цитарної оксидази (респіраторний вибух) Менше виражена • Оксид азоту Низький рівень відповіді або відсутня Індукується після транскрипційної активації ІІ\ІО$ • Дегрануляція Основна відповідь; індукується внаслідок перебудови цитоскелета Не виражена • Синтез цитокіну Низький рівень відповіді або відсутня Основна функція, потребує транскрипційної активації цитокінових генів • Утворення НПП Швидко індукується витисканням вмісту ядер Відсутня • Секреція лізосомальних ферментів Виражена Менше виражена ГСК - гемопоетичні стовбурові клітини; /N05 - індуцибельна синтаза оксиду азоту; НПП - нейтрофільні позаклітинні пастки. У цій таблиці перераховано основні відмінності нейтрофілів і макрофагів. Стисло наведені реакції описано в тексті. Зверніть увагу на те, що обидва типи клітин мають багато спільних ознак, таких як фагоцитоз, здатність мігрувати через кровоносні судини до тканин і хемотаксис. (табл. 3.3). Макрофаги ми обговорюватимемо детальні ше в контексті хронічного запалення. Ці типи лейко цитів захоплюють і руйнують бактерії та інші мікроби, некротичні тканини й сторонні тіла. Макрофаги також продукують фактори росту, які сприяють репарації. Ціною захисної активності лейкоцитів є те, що при надмірній активації вони можуть індукувати ураження тканин і продовжувати запалення, тому що медіатори, які руйнують мікроби і допомагають «прибирати» некротичні тканини, можуть також спричиняти «кола теральне ураження» нормальних клітин організму. При системній активації запалення, як це може стати ся у разі інвазії кровоносного русла бактеріями, така запальна відповідь може навіть призвести до летально го наслідку. Міграція лейкоцитів із просвіту судин у тка нини - багатоетапний процес, медіаторами і конт ролерами якого є адгезивні молекули й цитокіни. За нормальних умов лейкоцити швидко рухаються у кро воносному руслі; при запаленні їх треба зупинити, а потім перенести до місця дії провокувального чинника або вогнища ураження тканин у позасудинному про сторі. Цей процес можна розділити на фази: спочатку відбувається адгезія лейкоцитів до ендотелію у вогнищі запалення, потім - міграція лейкоцитів через судинну стінку і рух клітин до провокувального чинника. На кожному із цих етапів важливу роль відіграють різні молекули (рис. 3.4). Адгезія лейкоцитів до ендотелію Якщо кров тече із капілярів у посткапілярні венули, циркулюючі клітини ламінарним потоком відтиску ються до судинної стінки. Оскільки еритроцити менші за розміром, вони здатні рухатися швидше, ніж лей коцити. Унаслідок цього еритроцити утримуються в центральній осьовій зоні, а лейкоцити виштовхуються до судинної стінки, але потік крові заважає цим кліти нам прикріплюватися до ендотелію. Оскільки в ранній стадії запалення кровотік сповільнюється (стаз), гемодинамічні умови змінюються (тиск на судинну стінку зменшується) і більша кількість лейкоцитів займає периферичне положення на поверхні ендотелію. Цей процес перерозподілу лейкоцитів називають маргінпцією. Рухаючись поблизу судинної стінки, лейкоцити здатні виявляти зміни в ендотелії та реагувати на них. Якщо ендотеліальні клітини активуються цитокінами й іншими медіаторами, що синтезуються локально, вони експресують адгезивні молекули, до яких вільно прикріплюються лейкоцити. Ці клітини зв'язуються і відокремлюються, перекидаючись на поверхні ендо телію; такий процес називають ролінгом. Нарешті вони припиняють свій рух в якомусь місці, де міцно прикріп люються (нагадуючи бульбашки, над якими біжить потік). Прикріплення лейкоцитів до ендотеліальних клі тин зумовлюють комплементарні адгезивні молекули на двох типах клітин, експресія яких посилюється цитокінами. Останні секретуються клітинами тканин у відповідь на мікроби й інші шкідливі чинники, забез печуючи в такий спосіб мобілізацію лейкоцитів до тих тканин, де ці подразники локалізуються. Двома основ ними видами молекул, які залучаються до адгезії та міграції лейкоцитів, є селектини й інтегрини (табл. 3.4). Вони експресуються на лейкоцитах та ендотеліальних клітинах, оскільки є їхніми лігандами. • Селектини зумовлюють початкову слабку взає модію лейкоцитів й ендотелію. Це рецептори, що експресуються на лейкоцитах та ендотелії і міс тять позаклітинний домен, який зв'язує цукри (ось чому частиною їхньої назви є «лектин»). До складу сімейства входять: Е-селектин (його також назива ють С062Е), який експресується на ендотеліальних клітинах; Р-селектин (С062Р), наявний на тромбо цитах та ендотелії; Ь-селектин (СП)62Ь), розміщений на поверхні більшості лейкоцитів. Лігандами для селектинів виступають олігосахариди, які містять ГЛАВА 3 Запалення і репарація РОЛІНГ АКТИВАЦІЯ ІНТЕГРИНУ ХЕМОКІНАМИ Ппікопротеїд, модифікований сіальованим антигеном І_ех Лейкоцит ^ СТАБІЛЬНА АДГЕЗІЯ Інтегрин (взаємодія низького споріднення)' МІГРАЦІЯ ЧЕРЕЗ ЕНДОТЕЛІЙ Інтегрин (взаємодія високого споріднення) Р-селектин Е-селектин МАТЕК-1 Протеоглікан (С031) Інтегриновий ліганд (МАТЕК-1) Хемокіни Макрофаг із мікробами М ікроби Фібрин і фібронектин (позаклітинний матрикс) Рис. 3 .4 . Б а га то е та п н и й п р о ц е с м ігр а ц ії л е й ко ц и тів ч е р е з кр о в о н о с н і суд ини (показаний тут для нейтрофілів). Спочатку лейкоцити перекочуються, потім активуються і зв’язуються з ендотелієм, після чого мігрують через ендотелій, долають базальну мембрану й рухаються в напрямку хемоатрактантів, які вивільняються із вогнища ушкодження. На кожному етапі цього процесу домінантну роль відіграють різні молекули: селектини - під час ролінгу (перекочування); хемокіни (зазвичай вони зв’язані із протеогліканами) — при активації нейтрофілів для підвищення авідності інтегринів; інтегрини - при стабільній адгезії; СР31 (МАТЕК-1) - при трансміграції. МАТЕК-1 (С й31) —молекула адгезії тромбоцит-ендотеліальних клітин-1; ТЛІ/-- фактор некрозу пухлин сіалову кислоту і зв'язані із рецепторами глікопротеїдів. У неактивованому ендотелії рівень експресії селектинів зазвичай низький або не визначається, але підвищується після стимуляції цитокінами й іншими медіаторами. Отже, зв'язування лейкоцитів насамперед обмежене ендотелієм у вогнищах інфі кування або ушкодження тканин (де синтезуються ці медіатори). Наприклад, у неактивованих ендоте ліальних клітинах Р-селектин міститься переважно у внутрішньоклітинних тільцях Вейбеля-Паладе, але після кількох хвилин дії медіаторів, таких як гістамін або тромбін, він виходить на поверхню клі тин. Так само Е-селектин і ліганд для Ь-селектину експресуються на ендотелії тільки після стимуляції ІЬ-1, фактором некрозу пухлин (ТNР) і цитокіна ми, які продукуються тканинними макрофагами, дендритними клітинами, тучними клітинами й самими ендотеліальними клітинами після контак ту з мікробами та некротичними тканинами (ці та інші цитокіни описано далі.) Лейкоцити експресують Ь-селектин на кінчиках мікроворсинок, а також експресують ліганди для Е- і Р-селектинів, які зв'язуються з компонентами системи комплементу на ендотеліальних клітинах. Це взаємодія низько го споріднення із великою швидкістю дисоціації, і вона легко порушується потоком крові. У результаті прикріплені лейкоцити зв'язуються, відокремлю ються, а потім знову зв'язуються і перекидаються на поверхні ендотелію - відбувається ролінг, опо середкований селектинами, який сповільнює рух лейкоцитів, уможливлюючи розпізнавання ними додаткових адгезивних молекул на ендотелії. Стабільну адгезію лейкоцитів до ендотелію забез печує сімейство білків на поверхні лейкоцитів, які називають інт егринами. Це трансмембранні глікопротеїДи, які складаються із двох ланцюгів; вони зумовлюють адгезію лейкоцитів до ендотелію, а також прикріплення різноманітних клітин до позаклітинного матриксу (ПКМ). За нормальних умов вони експресуються на плазматичній мемб рані лейкоцитів завдяки взаємодії низького спорід нення і не прикріплюються до своїх специфічних лігандів, допоки лейкоцити не активуються хемокінами. Хемокіни - це хемоатрактантні цитокіни, які Гостре запалення Таблиця 3.4. Ендотеліальні та лейкоцитарні адгезивні молекули Сімейство Молекула Розподіл Ліганд Селектин І_-селектин (С062Ц Нейтрофіли, моноцити, Т-клітини (наївні й центральної пам’яті) В-клітини (наївні) $іаІуі-І.еууІ5 Х/РІМАсІ на СІуСАМ-1, СР34, МАсІСАМ-1, інших; експресований на ендотелії (ПКВ) Е-селектин (С062Е) Ендотелій, активований цитокінами (ТИР, И-1) 5іаІуІ-І-ЄУУІ$ X (наприклад, С ІА ) на глікопротеїдах; експресований на нейтрофілах, моноцитах, Т-клітинах (ефекторні, клітини пам’яті) Р-селектин (С062Р) Ендотелій, активований цитокінами (ТІМР, ІП ) , гістаміном або тромбіном; тромбоцити $іаіу|-1_еууі5 X на Р 5С П та інших глікопротеїдах; експресований на нейтрофілах, моноцитах, Т-клітинах (ефекторні, клітини пам’яті) І_РА-1 (СР11аСР18) (Нейтрофіли, моноцити, Т-клітини (наївні, ефекторні, клітини пам’яті) ІСАМ-1 (С054), ІСАМ-2 (СОЮ2); експресований на ендотелії (під вищено регульований на активованому ендотелії) МАС-1 (С011ЬС018) Моноцити, дендритні клітини ІСАМ-1 (СОБ4), ІСАМ-2 (СР102); експресований на ендотелії (під вищено регульований на активованому ендотелії) УІ.А-4 (СР49аС029) Моноцити, Т-клітини (наївні, ефекторні, клітини пам’яті) УСАМ-1 (СОЮ6); експресований на ендотелії (підвищено регульо ваний на активованому ендотелії) а4р7 (СР49РС029) Моноцити, Т-клітини (наївні, ефекторні, кліти ни пам’яті, спрямовані на травний тракт) УСАМ-1 (СР106), МАсІСАМ-1; експресований на ендотелії у трав ному тракті й пов’язаних із ним лімфоїдних тканинах С031 Ендотеліальні клітини, лейкоцити С031 (гомотипова взаємодія) Інтегрин Імуноглобулін О А - ш к ір н и й л ім ф о ц и т а р н и й а н т и ге н -1 ; СІуСАМ-1 - м олекула к л іт и н н о ї адгезії, яка не се гл ікан -1 ; П К В - п о с т ка п іл я р н а венула; ІСАМ - м ол екула м іж к л іт и н н о ї адгезії; И-1 ін те р л е й кін -1 ; МАс]САМ-1 - м олекула к л іт и н н о ї а д ге з ії т и п у « а д р е с и н » у с л и зо вій о б о л о н ц і-1 ; Р5СІ.-1 - гл ік о п р о т е їд н и й ліганд-1 Р -се л е кти н у; 7 М Р - ф а кто р н е к р о з у п ухл ин ; УСАМ - суд и н н а м олекула к л іт и н н о ї адгезії. секретуються багатьма клітинами у вогнищах запа лення, зв'язуються із протеогліканами ендотеліаль них клітин і виявляються у високій концентрації на поверхні ендотелію. Якщо лейкоцити під час ролінгу зустрічаються із хемокінами, вони активуються, їхні інтегрини зазнають конформаційних змін і збираються у кластери, перетворюючись на форму високого споріднення. Водночас інші цитокіни, осо бливо Т № та ІЬ-1, активують ендотеліальні клітини, щоб підвищити експресію їх лігандів до інтегринів. До цих лігандів належать: (1) міжклітинна адгезивна молекула-1 (ІСАМ-1), яка зв'язує з інтегрином асо ційований із лейкоцитарною функцією антиген-1 (ЬРА-1; його також називають С 011аС 018) й анти ген макрофага-1 (Мак-1, або С 011ЬС 018); (2) васкулярна молекула клітинної адгезії-1 (УКАМ-1), яка зв'язує з інтегрином дуже пізній антиген-4 (УЬА-4; табл. 3.4). Комбінація індукованої цитокінами екс пресії інтегринових лігандів на ендотелії зі збіль шеним спорідненням інтегринів на лейкоцитах зумовлює міцне прикріплення лейкоцитів через інтегрини до ендотелію у вогнищі запалення. Ролінг лейкоцитів припиняється, а інтегринові ліганди надсилають сигнали, які зупиняють рух лейкоцитів і міцно прикріплюють їх до ендотелію, зумовлюючи зміни цитоскелета. Найвагомішим доказом важливості лейкоцитарних адгезивних молекул є існування генетично зумовленого дефіциту цих молекул, що призводить до рецидивних бактеріальних інфекцій унаслідок недостатньої адгезії лейкоцитів і порушення процесу запалення (глава 5). М іграція лейкоцитів через ендотелій Після зупинення руху лейкоцитів на поверхні ендо телію вони мігрують через судинну стінку, зазвичай протискуючись у міжепітеліальних проміжках. Ця екстравазація лейкоцитів, яку називають трансміграцією, відбувається переважно в посткапілярних венулах - ділянці максимальної ретракції ендотеліальних клітин. Подальший рух лейкоцитів регулюють хемокіни, які продукуються в позасудинному просторі і стимулю ють лейкоцити мігрувати за хімічним градієнтом (див. далі). Окрім того, посередником у зв'язуванні, необхід ному лейкоцитам для проходження через ендотелій, виступає молекула адгезії тромбоцит-ендотеліальних клітин (МАТЕК-1; її також називають СОЗІ) - адгезив на молекула надсімейства імуноглобулінів (І§), що експресується на лейкоцитах та ендотеліальних клітинах. Після проходження через ендотелій лейкоцити дола ють базальну мембрану - ймовірно, шляхом секреції колагеназ, - і потрапляють у позасудинний простір. Зазвичай під час трансміграції лейкоцитів судинна стінка не ушкоджується. Хемот аксис лейкоцитів Після активації кровотоку лейкоцити рухаються в тка нинах до вогнищ ушкодження; цей процес назвивають хемотаксисом, тобто рухом за хімічним градієнтом. Хемоатрактантами можуть слугувати як екзогенні, так й ендогенні речовини, у тому числі: • бактеріальні продукти, зокрема пептиди з І\І-форміл метіоніном; • цитокіни, особливо із сімейства хемокінів; • компоненти системи комплементу, зокрема С5а; • продукти ліпооксигеназного шляху метаболізму арахідонової кислоти, зокрема лейкотрієн В4. Ці хемоатрактанти синтезуються мікробами й клі тинами організму у відповідь на інфекції та ураження тканин і під час імунних реакцій. Усі вони діють шля хом зв'язування лейкоцитів із рецепторами, асоційова ними із протеїном С, які містять 7 трансмембранних доменів. Сигнали, що надходять від цих рецепторів, активують вторинні месенджери, які індукують поліме ризацію актину; це зумовлює збільшення кількості міозинових філаментів на домінантному полюсі клітини та їх появу на протилежному полюсі. Лейкоцит рухається 68 ГЛАВА 3 Запалення і репарація завдяки розтягненню філоподій, які тягнуть задню час тину клітини, що дуже схоже на те, як передні колеса тягнуть автомобіль із переднім приводом. Кінцевим результатом є міграція лейкоцитів до запального агента в напрямку локально продукованих хемоатрактантів. Уміст лейкоцитарного інфільтрату варіює залеж но від тривалості запальної реакції і типу подразни ка. Здебільшого при гострому запаленні протягом пер ших 6-24 год у запальному інфільтраті переважають нейтрофіли, які через 24-48 год поступово замінюють ся макрофагами, утвореними із моноцитів (рис. 3.5). Існує кілька причин раннього переважання нейтрофі лів: їх кількість у крові більше, ніж інших лейкоцитів; вони швидше реагують на хемокіни; і здатні міцніше прикріплюватися до адгезивних молекул, таких як Р- і Е-селектини, що швидко індукуються на ендотеліаль них клітинах. Після потрапляння в тканини нейтро філи живуть недовго; вони зазнають апоптозу й зника ють протягом 24-48 год. Макрофаги не тільки живуть довше, а й можуть проліферувати в тканинах, завдяки чому стають домінантною популяцією при тривалих запальних реакціях. Однак існують винятки із цієї сте реотипної картини клітинної інфільтрації. При деяких інфекціях - наприклад, спричинених Рзеисіотопав, кілька днів у запальному інфільтраті домінують ней трофіли; при вірусних інфекціях першими із клітин можуть надходити лімфоцити; при деяких реакціях гіперчутливості домінують активовані лімфоцити, макрофаги й плазматичні клітини (що свідчать про імунну реакцію); а при алергійних реакціях основним типом клітин можуть бути еозинофіли. Молекулярне розуміння мобілізації та міграції лей коцитів виявило велику кількість потенційних терапев тичних мішеней для купірування патологічного запа лення. До найуспішніших терапевтичних засобів, які були коли-небудь розроблені проти хронічних запальних захворювань, належать препарати, що блокують ТКР - один з основних цитокінів при мобі лізації лейкоцитів; антагоністи лейкоцитарних інтегринів також схвалені як протизапальні засоби і зараз * проходять клінічні випробування. Як і передбачалося, ці антагоністи не тільки справляють бажаний ефект щодо інгібіції запалення, а й знижують здатність орга нізму пацієнтів, які отримують лікування, захищати себе від мікробів, що, звісно, є фізіологічною функцією запальної відповіді. РЕЗЮ МЕ МОБІЛІЗАЦІЯ ЛЕИКОЦИТІВ У ВОГНИЩЕ ЗАПАЛЕННЯ • Л е й ко ц и т и виходять із кр о во н о сн о го русла в позасудинний простір, де можуть локалізуватися інф екційні патогени або уражені тканини, мігрую ть у вогнищ е інфекції або у ш ко дження тканин й активуються для виконання своїх функцій. • Мобілізація лейкоцитів - багатоетапний процес, який скла дається із вільного прикріплення до ендотелію та ролінгу по ньому (зумовленого селектинами), м іц ного прикріплення до ендотелію (зумовленого інтегринами) і міграції через міжендотеліальні проміж ки. • Різноманітні ц итокіни сприяю ть експресії селектинів та інтегр и н о в и х лігандів на ендотелії (ТИР, И-1), підвищ ую ть авідність інтегринів до їхн іх лігандів (хем окіни) і визначають на прям ок міграції лейкоцитів (також хем окіни). Більшість цих цитокінів синтезується тканинним и макрофагами та інш ими клітинами, які реагують на патогени або уражені тканини. • У ранньому запальному інфільтраті переважають нейтрофіли, які пізніш е замінюються моноцитам и й макрофагами. Фагоцитоз і знешкодження провокувального чинника Розпізнавання мікробів або некротичних клітин індукує певні реакції у лейкоцитах, які називають акт и вац ією лейкоцит ів (рис. 3.6). Після мобілізації лейкоцитів (зокрема нейтрофілів і моноцитів) у вог нище запалення або ушкодження тканин вони мають бути активованими, щоб виконувати свої функції. Це цілком доцільно, бо якщо ми хочемо, щоб клітини- ч В Час, доби Рис. 3.5. П р и р о д а л е й к о ц и т а р н и х інф ільтратів при зап ал ьних р е а к ц ія х . На мікрофото показано запальну реакцію в міокарді після ішемічного некрозу (інфаркт): А - ранні (нейтрофільні) інфільтрати й переповнені кров’ю судини. Б - пізніші (одноядерні) клітинні інфільтрати. В - приблизна кінетика набряку й інфільтрації клітин. Для спрощення набряк зображено як гостру скороминущу відповідь, хоча також можуть виникати вторинні хвилі пізнього набряку та нейтрофільної інфільтрації Гостре запалення Хемокіни Пептиди Л іп ід н і -формілметіоніну медіатори Рецептори, асоційовані із протеїном С Розпізнаван ня мікробів, медіаторів Клітинна відповідь ТоІІподібний рецептор Цитокіновий рецептор Зміни цитоскелета, трансдукція сигналу Синтез Утворення активних медіаторів форм кисню, синтез лізо(наприклад, метаболітів сомальних ферментів арахідонової кислоти, цитокінів) Підвищена активність інтегрину Хемотаксис V V Адгезія до ендотелію Міграція в тканини Посилення запальної реакції Функціональні результати Цитокіни (наприклад, ІРІЧ-у) Фагоци тарний рецептор Фагоцитоз мікроба у фагосому Мікробіцидна активність лейкоцитів Кілінг мікробів Рис. 3 .6 . А к т и в а ц ія л е й ко ц и тів . Різні агоністи розпізнаються різноманітними типами рецепторів клітинної оболонки лейкоцитів. Одразу після стимуляції ці рецептори індукують реакції, які опосередковують функції лейкоцитів. Зображено тільки деякі рецептори (подробиці див. у тексті). Ліпополісахарид (ЛПС) спочатку зв’язується із циркулюючим ЛП С-зв’язувальним білком (не показано). /Ш -у - інтерферон-у «захисники» постійно патрулювали наш організм, було би марнотратством утримувати їх на високому рівні готовності й витрат енергії до того, як вони зна добляться. Функціональні відповіді, найважливіші для руйнування мікробів та інших подразників, - це фаго цитоз і внутрішньоклітинний кілінг. Декілька інших реакцій є допоміжними для захисних функцій запа лення і можуть посилювати його шкідливі наслідки. Фагоцитоз Фагоцитоз включає три послідовні етапи: (І) роз пізнавання й прикріплення частки, яка має бути захоплена лейкоцитом; (2) поглинання з наступним утворенням фагоцитарної вакуолі; (3) кілінг, або деградація захопленого матеріалу (рис. 3.7). Ці етапи індукуються внаслідок активації фагоцитів мікробами, продуктами некротичного розпаду й різноманітними медіаторами. Р озп ізн аван н я і прикріплення. Мікроби зв'язують ся і захошіюються манозними рецепторами, фаго цитарними рецепторами та рецепторами для різ номанітних опсонінів. Макрофагальний манозний рецептор - це лектин, який зв'язує кінцеві манозні й фукозні залишки глікопротеїдів та гліколіпідів. Зазвичай ці цукри є частиною молекул, розміщених на стінках мікробних клітин, тоді як глікопротеїди й гліколіпіди ссавців містять кінцеву сіалову кис лоту або ІЧІ-ацегилгалактозамін. Отже, манозний рецептор розпізнає не клітини власного організму, а мікроби. Фагоцитарні рецептори зв'язують і засвою ють частки ліпопротеїдів низької густини (ЛПНГ), а також розмаїття мікробів. Ефективність фагоцитозу значно зростає, якщо мікроби опсонізовані (вкриті) специфічними білками (опсонінами), до яких фаго цити експресують рецептори високої спорідненості. Основними опсонінами є антитіла І§С, продукт роз щеплення СЗЬ при активації системи комплементу та деякі плазматичні лектини, насамперед лектин, що зв'язує манозу; усі вони розпізнаються специфічними рецепторами на лейкоцитах. П оглинання. Після зв'язування частки із фагоцитар ними рецепторами її охоплюють вирости цитоплазми (псевдогіодії), чия оболонка відщипується, щоб утво рити цитозольну везикулу (фагосому), яка містить у собі цю частку. Потім фагосома зливається із лізосомами, у результаті чого утворюється фаголізосома (див. рис. 3.7). Протягом цього процесу фагоцит теж може вивільнювати певну кількість гранульованого вмісту в позаклітинний простір, уражуючи неушкоджені нор мальні клітини. Внутрішньоклітинне руйнування мікробів і продуктів розпаду клітин Кілінг мікробів і деградацію захопленого матері алу здійснюють активні форми кисню (АФК; їх також називають активованими похідними кисню), реактивні форми азоту, які переважно утворюють ся з оксиду азоту (N 0), та ферменти лізосом (див. рис. 3.7, А). Це кінцевий етап видалення збудників інфекцій і некротичних клітин. Кілінг і деградація мікробів та знищення продуктів розпаду мертвих клі тин усередині нейтрофілів і макрофагів найефектив- | ГЛАВА 3 Запалення і репарація 1. РОЗПІЗНАВАННЯ Й ПРИКРІПЛЕННЯ Мікроби зв'язуються із фаго цитарним рецептором Злиття фагосоми з лізосомою Мікроб у фагосомі Фагоцитарний рецептор 2. ПОГЛИНАННЯ Мембрана фагоцита замикається навколо мікроба Цитоплазматична оксидаза НАДФН Лізосома із ферментами Фаголізосома Фагосома із мікробом Руйнування мікробів лізосомальними ферментами у фаголізосомі 3. КІЛІНГ І ДЕГРАДАЦІЯ Первинна гранула —^ 4 Активна оксидаза НАДФ+ Мембранна оксидаза Мембрана Фагоцитарна оксидаза ФАГОЦИТАРНА ВАКУОЛЯ Рис. 3 .7 . Ф а го ц и т о з і в н у т р іш н ь о кл іти н н е р уй н у в а н н я м ікро бів: А - фагоцитоз частки (наприклад, бактерії) активує зв'язування з рецепторами на мембрані лейкоцитів, поглинання і злиття фагоцитарних вакуолей із лізосомами. Потім захоплені частки руйнуються у фаголізосомах за допомогою лізосомальних ферментів, активних форм кисню та реактивних форм азоту. Б - в активованих фагоцитах цитоплазматичні компоненти окисного ферменту збираються в мембрані фагосоми, щоб утворити активний фермент, який є каталізатором перетворення кисню на супероксид (О") і Н 2О г Мієлопероксидаза, наявна в нейтрофільних гранулах, перетворює Н20 2 на гіпохлоріт. В - фагоцитовані мікроби зни щуються мікробіцидними активними формами кисню й оксиду азоту (N 0 ), Під час фагоцитозу вміст гранул може вивільнюватися в позаклітинний матрикс (не показано). /N05 - індуцибельна синтаза оксиду азоту; М П О - мієлопероксидаза; АФ К - активні форми кисню ніше відбуваються після їх активації. За нормальних умов усі механізми кілінгу розвиваються в лізосомах, до яких надходить фагоцитований матеріал: потенційно шкідливі речовини відокремлюються від цитоплазми та ядра клітини, щоб запобігти ураженню фагоцита під час виконання ним своєї функції. А к т и в н і ф о р м и к и с н ю утворюються внаслідок швидкого комплектування та активації багатокомпо нентного ферменту - фагоцитарної оксидази (її також називають НАДФН-оксидазою), яка окиснює НАДФН (відновлений нікотинамідаденіндинуклеотидфосфат) і в ході цього процесу відновлює кисень до супероксидного аніона (О*; рис. 3.7, Б), у нейтрофілах ця окисна реакція має тісний зв'язок із фагоцитозом і називаєть ся респіраторним вибухом. Фагоцитарна оксидаза - це комплекс ферментів, який містить щонайменше 7 біл ків. Коли нейтрофіли перебувають у стані спокою, різ ні компоненти зазначеного ферменту локалізуються у плазматичній мембрані й цитоплазмі. У відповідь на подразники ці компоненти із цитоплазми переміща ються до мембрани фагоцита, де збираються докупи й утворюють функціональний ферментний комплекс. Отже, АФК утворюються всередині фаголізосоми, де вони можуть діяти на захоплені частки без ураження клітин власного організму. Утворений таким шляхом О* потім трансформується у водню пероксид (Н^О,) значною мірою завдяки спонтанній дисмутації - про цесу одночасного окиснення і відновлення. Сам Н,0., не здатний ефективно знищувати мікроби. Однак азурофільні гранули нейтрофілів містять фермент мієлопероксидазу (МПО), яка за наявності галіту, такого як СІ , перетворює Н ,0 , на гіпохлорит (ОСІ,, активний інгредієнт побутових відбілювачів). Останній є силь ним протимікробним засобом, що руйнує мікроби шляхом галогенізації (при якій галіт зв'язується кова лентно із компонентами клітини) або окиснення біл ків і ліпідів (пероксидне окиснення ліпідів). Система Н ,0.-М 1 Ю-галіт - це найефективніша бактерицидна система нейтрофілів. Однак успадкований дефіцит МПО лише зумовлює помірне підвищення сприй нятливості до інфекції, про що свідчить надмірна активність мікробіцидних механізмів у лейкоцитах. Гостре запалення Н ,0 2 також перетворюється на гідроксильний радикал (ОН*) - ще один потужний руйнівний засіб. Як уже обговорювалося у главі 2, ці АФК зв'язуються із клітин ними ліпідами, білками та нуклеїновими кислотами і модифікують їх, у такий спосіб руйнуючи мікроби. Утворені з кисню вільні радикали можуть виходити з лейкоцитів у позаклітинний простір після того, як зазнають дії мікробів, хемокінів і комплексів антигенантитіло, або отримують сигнали від фагоцитів. Вони причетні до ураження тканин, яке супроводжується запаленням. У сироватці, тканинних рідинах і клітинах орга нізму є антиоксидантні механізми, які захищають їх від вільних радикалів (глава 2). До них належать: (1) супероксиддисмутаза, яка міститься в різноманітних типах клітин або може бути активованою в них; (2) каталаза, яка позбавляє токсичності Н20 2; (3) глутатіонпероксидаза - ще один потужний детоксикант Н.,0,. Роль АФК у будь-якій запальній реакції залежить від рівноваги між утворенням й інактивацією цих метаболітів клітинами і тканинами. Генетичні розлади продукування АФК спричи нюють імунодефіцитне захворювання, яке називають хронічною гранульоматозною хворобою (глава 5). О ксид азот у. N 0 - розчинний газ, який утворю ється з аргініну під дією синтази оксиду азоту (N 03), також бере участь у кілінгу мікробів. Існують три різні типи N 05: ендотеліальна (еКІОВ), нейрональна (пГчЮ5) та індуцибельна (ІІ\Ю5). еN 05 і пМ 05 конститутивно експресуються на низьких рівнях, а N 0 , який вони продукують, діє відповідно для підтримання тону су судин і як нейротрансмітер. іN 0 5 - тип, що бере участь у кілінгу мікробів, - експресується тоді, коли макрофаги активовані цитокінами (наприклад, її^ -у ) або мікробними продуктами, й індукує продукування N 0. У макрофагах N 0 реагує із супероксидом (О*) з метою утворення високоактивного вільнорадикального пероксинітриту (© N 00• ; рис. 3.7, В). Ці отримані з азоту вільні радикали, які схожі на АФК, атакують й уражують ліпіди, білки та нуклеїнові кислоти мікробів і клітин свого організму. Окрім мікробіцидної функції N 0 , продукований в ендотеліальних клітинах, розслаблює непосмуговані м'язи судин і сприяє їх розширенню. Не зрозуміло, чи відіграє ця функція N 0 важливу роль у судинних реак ціях при гострому запаленні. Ферменти гранул та інші білки. Нейтрофіли і моноцити містять гранули, заповнені ферментами та протимікробними білками, які розкладають мікро би й мертві клітини і можуть спричиняти ураження тканин. Ці гранули активно секретуються і тому відріз няються від класичних лізосом. Нейтрофіли мають два основні типи гранул: менші специфічні (або вторинні) гранули містять лізоцим, колагеназу, желатиназу, лактоферин, активатор шіазміногену, гістаміназу й лужну фосфатазу; більші азурофільні (або первинні) - МПО, бактерицидні фактори (такі як дефенсини), кислотні гідролази й різноманітні нейтральні протеази (еластазу, катепсин С, неспецифічні колагенази, протеїназу 3). Фагоцитарні везикули, які містять поглинену субстанцію, можуть зливатися із зазначеними гранула ми (а також із лізосомами, як це було описано раніше), унаслідок чого захоплений матеріал руйнується. Окрім того, обидва типи гранул також зазнають дії екзоцитозу (дегрануляції), що зумовлює позаклітинне вивільнення їхнього вмісту. Ферменти гранул виконують різні функції. Кислотні протеази руйнують бактерії та продукти розпаду всередині фаголізоєом, які окиснюються зв'язаними із клітинною оболонкою протонними пом пами. Нейтральні протеази здатні до деградації різнома нітних позаклітинних компонентів, таких як колаген, базальна мембрана, фібрин, еластин і хрящ, що при зводить до руйнування тканин, яким супроводжуються запальні процеси. Нейтрофільна еластаза веде боротьбу з інфекцією шляхом деградації факторів вірулентності бактерій. Макрофаги також містять кислотні гідро лази, колагеназу, еластазу, фосфоліпазу й активатор гшазміногену. У зв'язку із деструктивною дією ферментів гранул первинна лейкоцитарна інфільтрація, якщо її проігно рувати, може потенціювати подальше запалення вна слідок ураження тканин. Однак цю функцію протеази за нормальних умов контролює система антипротеаз у сироватці крові й тканинних рідинах. Найперший представник антипротеаз - сц-антитрипсин, основний інгібітор нейтрофільної еластази. Недостатня кількість зазначених інгібіторів може призвести до пролонгова ної дії лейкоцитарних протеаз, як це відбувається при дефіциті а !-аі ггитрипсину (глава 13). Нейтрофільні позаклітинні пастки Нейтрофільні позаклітинні пастки (НПП) - це поза клітинна фібрилярна сітка, яка концентрує проти мікробні речовини у вогнищі інфекції та запобігає поширенню мікробів, захоплюючи їх у фібрилах. Вони утворюються нейтрофілами у відповідь на інфекційні патогени (переважно бактерії та грибки) і медіатори запалення (наприклад, хемокіни, цитокі ни й білки системи комплементу). НПП складаються із в'язкої ніздрюватої сітки ядерного хроматину, що зв'язує та концентрує білки гранул, такі як протимі кробні пептиди й ферменти (рис. 3.8); це додатковий механізм кілінгу мікробів, не залучених у фагоцитоз. У процесі формування НПП руйнуються ядра ней трофілів, що спричинює загибель клітин; цю форму загибелі нейтрофілів іноді називають нетозом. НПП також виявляють у крові при сепсисі. Ядерний хрома тин у НПП, до складу якого входять гістони й асоці йована ДНК, може бути джерелом ядерних антигенів при системних аутоімунних захворюваннях, зокрема при системному червоному вовчаку, унаслідок чого розвивається реакція проти власних ДНК і нуклеопротеїдів (глава 5). Ушкодження тканин, опосередковане лейкоцитами За деяких обставин лейкоцити є важливими медіа торами ушкодження нормальних клітин і тканин: • Як частина нормальної захисної реакції проти інфекційних мікробів, коли тканини у вогнищі інфікування або поблизу нього зазнають колате рального ураження. При деяких інфекціях, збудни ків яких важко знищити (таких як туберкульоз і пев ні вірусні захворювання, зокрема гепатит), розвитку патології більше сприяє тривала запальна відповідь організму, аніж сам мікроб. 71 ГЛАВА 3 Запалення і репарація Рис. 3 .8 . Н ейтро ф іл ьн і п о за кл іти н н і п ас тки (НПП): А - нормальні нейтрофіли з ядрами, забарвленими у червоний колір, і цитоплазмою, забарвленою в зелений колір. Б - вивільнення ядерного хроматину з нейтрофілів (зверніть увагу на те, що два з них втратили свої ядра) з утво ренням позаклітинних пасток. Б - електронна мікрофотографія бактерій (стафілококів), захоплених у НПП. (Зі статті V Вгіпктапп, А. 2усЬІІп$ку: Вепе[ісіаІ зиісісіе: и/Ьу пеи(горНИ$ сііе {о таке МЕТ$, Кеу МісгоЬіоІ 5:577, 2007.) К о л и запальна відповідь неналежним чином спря мована проти тканин організму, як це відбувається при певних аутоімунних хворобах. • Коли організм «гіперреагує» на зазвичай нешкід ливі речовини навколишнього середовища, напри клад, при алергійних захворюваннях, включаючи астму, і деяких реакціях на лікарські препарати. • Лейкоцити уражують тканини шляхом вивіль нення потенційно токсичного вмісту гранул у поза клітинний простір. Це відбувається за допомогою кіль кох механізмів. Нормальною відповіддю активованих лейкоцитів є контрольована секреція вмісту гранул піс ля дегрануляції. Якщо патологічну субстанцію немож ливо швидко поглинути, зокрема імунні комплекси, прикріплені до нерухомих шіоских поверхонь (напри клад, гломерулярної базальної мембрани), нездатність лейкоцитів оточувати й засвоювати ці речовини («неза вершений фагоцитоз») зумовлює сильну активацію, а також вивільнення великої кількості ферментативних гранул у позаклітинний простір. Деякі фагоцитовані речовини, такі як кристали сечової кислоти й діоксиду кремнію, можуть уражувати оболонку фаголізосоми і також призводити до вивільнення токсичного вмісту. Інші функціональні реакції активованих лейкоцитів Окрім видалення мікробів і мертвих клітин активовані лейкоцити виконують інші захисні функції. Важливим є те, що ці клітини, особливо макрофаги, продукують цитокіни, які здатні або посилювати, або обмежувати запальні реакції; фактори росту, які стимулюють про ліферацію ендотеліальних клітин і фібробластів та синтез колагену; ферменти, що ремоделюють сполуч ну тканину. Завдяки цим видам діяльності макрофаги також відіграють центральну роль у процесі хронічно го запалення і відновлення тканин після того, як запа лення згасає (див. далі). В обговоренні процесу гострого запалення ми наго лошуємо важливість нейтрофілів і макрофагів. Однак з'ясувалося, що гостре запалення також зумовлюють деякі Т-лімфоцити, тобто клітини набутого імунітету. Найважливішими з них є клітини, що продукують ІЬ-17 («клітини ТЬ17»; глава 5); останній індукує секрецію хемокінів, які мобілізують інші лейкоцити. За відсут ності ефективної реакції ’ГЬІ 7 пацієнти стають сприй нятливими до грибкових і бактеріальних інфекцій, а абсцеси, що розвиваються у шкірі, є «холодними», тоб то не супроводжуються класичними ознаками гострого запалення, такими як місцеве підвищення температу ри й почервоніння. Заключний етап гострої запальної відповіді Така потужна система захисту організму як результат успадкованої здатності ушкоджувати тканини потре бує жорстких засобів контролю, щоб зменшити уражен ня до мінімуму. Частково запалення зменшується після видалення провокувальних чинників просто тому, що його медіатори продукуються у вигляді швидких вибухів тільки за наявності подразника, мають короткі періоди напіврозпаду й деградують після вивільнення. Нейтрофіли також характеризуються коротким періо Медіатори запалення дом напіврозпаду в тканинах і гинуть шляхом апоптозу протягом кількох годин або 1-2 діб після виходу із кровоносного русла. Окрім того, сам процес запалення індукує різноманітні сигнали гальмування, які активно його припиняють. До цих активних механізмів нале жать перемикання типу продукованого метаболіту арахідонової кислоти - із прозапальних лейкотрієнів на протизапальні ліпоксини (див. далі) - і вивільнен ня протизапальних цитокінів, включаючи ТСР~р, із макрофагів та інших клітин. Іншим контрольним механізмом, продемонстрованим в експериментах, є поява нервових імпульсів (холінергічного розраду), які гальмують продукування ТИР у макрофагах. РЕЗЮ МЕ АКТИВАЦІЯ ЛЕЙКОЦИТІВ 1 ВИДАЛЕННЯ П П / Л П У М А /Г> А /11 II 11 VIІ/ІГ> 1ННИК1В • Лейкоцити здатні знищувати мікроби й мертві клітини шля хом фагоцитозу, руйнуючи їх у фаголізосомах. • Руйнування спричинюють вільні радикали (АФК, N 0 ), утво рені в активованих лейкоцитах, і ферменти гранул. • Нейтрофіли здатні виштовхувати свій ядерний хроматин, щоб утворити позаклітинні пастки, які захоплюють і руйну ють мікроби. • Ферменти гранул можуть вивільнюватися в позаклітинний простір. • Механізми, які забезпечують видалення мікробів і мертвих клітин (фізіологічна роль запалення), також здатні уражувати нормальні тканини (патологічні наслідки запалення). • Протизапальні медіатори припиняють гостру запальну реак цію, якщо вона більше не потрібна. МЕДІАТОРИ ЗАПАЛЕННЯ Медіатори запалення - це речовини, які ініціюють і регулюють запальні реакції. Хоча список медіаторів може нагнати страху на змученого студента (як і на про фесорів!), слід зазначити, що ці знання були використа ні для розроблення великого арсеналу протизапальних засобів, якими кожного дня користується багато людей і до яких належать знайомі лікарські препарати, такі як аспірин й ацетамінофен. Найважливішими медіа торами гострого запалення є вазоактивні аміни, ліпідні продукти (простагландини і лейкотрієни), цитокіни (включаючи хемокіни) та продукти активації системи комплементу (табл. 3.5). Ми почнемо зі стислого викла ду загальних властивостей медіаторів запалення, а потім обговоримо деякі найважливіші молекули. • Медіатори можуть продукуватися клітинами у вогнищі запалення або трансформуватися із циркулюючих неактивних попередників, які активуються у вогнищі запалення. Медіатори клітинного походження швидко вивільняються із вну трішньоклітинних гранул (наприклад, аміни) або синтезуються сіє погю (наприклад, простагландини, лейкотрієни, цитокіни) у відповідь на подразник. Основні типи клітин, які синтезують медіатори гострого запалення - це тканинні макрофаги, дендритні клітини й тучні клітини, але до проду кування деяких медіаторів також можуть залучати ся тромбоцити, нейтрофіли, ендотеліальні клітини Таблиця 3.5. Основні медіатори запалення Медіатор Д ж ер ел о Д ія Гістамін Тучні клітини, базофіли, тромбоцити Розширення судин, підвищення їх проникності, активація ендотелію Простаглан дини Тучні клітини, лейкоцити Розширення судин, біль, жар Лейкотрієни Тучні клітини, лейкоцити Підвищення проникності судин, хемотаксис, адгезія та активація лейкоцитів Цитокіни (ТИР, И-1, И-6) Макрофаги, ендотеліальні клітини, тучні клітини Місцева: активація ендотелію (екс пресія адгезивних молекул). Системна: жар, метаболічні розлади, артеріальна гіпотензія (шок) Хемокіни Лейкоцити, активовані макрофаги Хемотаксис, активація лейкоцитів Фактор активації тромбоцитів Лейкоцити, тучні клітини Розширення судин, підвищення їх проникності, адгезія лейкоцитів, хемотаксис, дегрануляція, окисний «вибух» Система комплементу Плазма (про дукується в печінці) Хемотаксис й активація лейкоцитів, прямий кілінг мішеней (мембраноатакувальний комплекс), розширення судин (стимуляція тучних клітин) Кініни Плазма (про дукується в печінці) Підвищення проникності судин, скорочення непосмугованих м’язів, розширення судин, біль і більшість епітеліоцитів. Отже, медіатори клітин ного походження є найважливішими для видален ня провокувальних чинників із тканин. Медіатори плазматичного походження (наприклад, білки систе ми комплементу) наявні у кровоносному руслі як неактивні попередники, які для набуття біологіч них властивостей мають активуватися, зазвичай за допомогою серії протеолітичних розщеплень. Вони продукуються переважно в печінці, ефективні про ти циркулюючих мікробів і також здатні мобілізува тися у тканини. • Активні медіатори синтезуються тільки у відпо відь на різноманітні молекули, які стимулюють запалення, зокрема мікробні продукти та речо вини, що вивільняються з некротичних клітин. Багато із цих подразників активують чітко визна чені рецептори й сигнальні шляхи, як це було опи сано раніше. Зазвичай мікроби або мертві тканини у ролі ініціювальних подразників гарантують, що за нормальних умов запалення розвивається тільки тоді і лише там, де це потрібно. • Більшість медіаторів має короткий період напів розпаду. Вони швидко розщеплюються чи інактивуються ферментами, видаляються іншим способом або функція їх пригнічується. Отже, існує система контролю і рівноваги, яка регулює дію медіаторів. Ці вбудовані контрольні механізми обговорюються для кожного класу медіаторів. • Один медіатор може стимулювати вивільнення інших медіаторів. Наприклад, продукти активації системи комплементу стимулюють вивільнення гістаміну, а цитокіновий ТИР діє на ендотеліальні клітини, щоб стимулювати продукування іншого ГЛАВА 3 Запалення і репарація цитокіну, ІІ.-1, і багатьох хемокінів. Вторинні медіа тори можуть виконувати такі самі дії, що й первинні, але також здатні чинити різну й навіть протилежну дію, тим самим формуючи механізми для посилен ня первинної дії медіатора або, у деяких випадках, протидії їй. Вазоактивні аміни: гістамін і серотонін Два основні вазоактивні аміни, які отримали таку назву через їхню важливу дію на кровоносні суди ни, - це гіст ам ін і серот онін. Вони зберігаються в клітинах у вигляді преформованих молекул і тому належать до перших медіаторів, які вивільняються під час запалення. Найбагатші джерела гістаміну - це туч ні клітини, які в нормі містяться у сполучній тканині, що межує із кровоносними судинами. Гістамін також наявний у базофілах крові й тромбоцитах. Він зберіга ється в гранулах тучних клітин і вивільнюється шляхом дегрануляції у відповідь на різноманітні подразники, до яких належать: (1) фізичне ушкодження, таке як травма, переохолодження або нагрівання, а також спричинене невідомими механізмами; (2) зв'язування антитіл із тучними клітинами, що лежить в основі реакцій гіперчутливості негайного типу (алергійних; глава 5); (3) компоненти системи комплементу (СЗа і С5а), які називаються ашфілатоксинами й описані далі. Антитіла та компоненти системи комплементу зв'язуються зі специфічними рецепторами на тучних клітинах й активують сигнальні шляхи, які індукують швидку дегрануляцію. Ініціювати вивільнення гістамі ну також можуть нейропептиди (наприклад, речови на Р) і цитокіни (ІЬ-1, ІЬ-8). Гістамін спричинює розширення артеріол і під вищує проникність венул. Як обговорювалося рані ше, гістамін вважають основним медіатором негайної скороминущої фази підвищеної проникності судин через формування ним міжендотеліальних проміжків у посткапілярних венулах. Його вазоактивні ефекти переважно зумовлені зв'язуванням із ^-рецепторам и на ендотелії мікросудин. Антигістамінні препарати, які широко використовують для лікування певних запальних реакцій, таких як алергія, - це антагоністи Н^рецепторів, що зв'язуються з рецептором і бло кують його. Також гістамін є причиною скорочення деяких непосмугованих м'язів, але лейкотрієни, які будуть описані далі, діють набагато сильніше і спри чинюють спазм бронхових м'язів, наприклад, при астмі. Серотонін (5-гідрокситриптамін) - це преформований вазоактивний медіатор, наявний у тромбоцитах та певних нейроендокринних клітинах, розміщених у травному тракті, і в тучних клітинах гризунів, але не людини. Його основна функція - нейротрансмітер у травному тракті. Він також є вазоконстриктором, але важливість цієї дії при запаленні ще не з'ясовано. Метаболіти арахідонової кислоти Ліпідні медіатори - простагландини та лейкотріє ни - синтезуються з арахідонової кислоти, наявної у фосфоліпідах клітинної оболонки, і стимулюють судинні й клітинні реакції при гострому запаленні. Арахідонова кислота - це С20-поліненасичена жирна кислота, яка отримується із продуктів харчування або шляхом перетворення з ліноленової незамінної жир ної кислоти. Більша частина арахідонової кислоти естерифікується і входить до складу фосфоліпідів клі тинних оболонок. Вивільнення арахідонової кислоти з оболонок шляхом активації клітинних фосфоліпаз, переважно фосфоліпази А2, активує механічні, хімічні й фізичні подразники або інші медіатори (наприклад, С5а). Одразу після вивільнення вона швидко перетво рюється на біоактивні медіатори. Синтез цих медіато рів, які також називають ейкозаноїдами (тому що вони є похідними С,()-жирних кислот; від грец. «ейкоза» двадцять), забезпечують два основні класи ферментів: циклооксигенази (які синтезують простагландини) та ліпоксигенази (які продукують лейкотрієни й ліпоксини; рис. 3.9). Ейкозаноїди зв'язуються з рецепторами, які з'єднані із протеїном С, на багатьох типах клітин і дійсно здатні опосередковувати кожний етап запален ня (табл. 3.6). Простагландини Простагландини (ПГ) синтезуються тучними кліти нами, макрофагами, ендотеліальними клітинами й багатьма іншими типами клітин і беруть участь у судинних та системних реакціях запалення. Вони утворюються внаслідок дії двох циклооксигеназ - ЦОГ-1 і ЦОГ-2. ЦОГ-1 продукується у відповідь на запальні подразники і також конститутивно експресується у більшості тканин, де може виконувати гомеостатичну функцію (наприклад, водно-електролітний баланс у нирках, цитопротекція у травному тракті). На відміну від цього ЦОГ-2 індукується запальними подразни ками і в такий спосіб синтезує простагландини, які залучаються до запальних реакцій, але в більшості нор мальних тканин вони містяться у малій кількості або відсутні. Простагландини класифікують залежно від струк турних особливостей, що кодуються літерою (напри клад, ПГО, ПГЕ, ПГР, ПГС і ПГН) і нижнім індексом (наприклад, 1, 2), який позначає кількість подвійних зв'язків у сполуці. Найважливішими простагландина ми при запаленні є ПГЕ2, І ІП),, І ІГР2а, ПГІ2 (простациклін) і ТХА, (тромбоксан А,), кожний з яких синтезуєть ся внаслідок дії специфічного ферменту на проміжну сполуку. Деякі із цих ферментів мають обмеження сто совно розподілу в тканинах і функцій. • ІІГГ)., - це основний простагландин, що синтезуєть ся тучними клітинами; разом із ПГЕ2 (який більше поширений) він зумовлює розширення судин і Таблиця 3.6. запаленні Основна дія метаболітів арахідонової кислоти при Д ія Ейкозаноїд Розширення судин Простагландини: ПГІ2 (простациклін), ПГЕ,, п г е 2, п г р 2 Звуження судин Тромбоксан А 2, лейкотрієни С4, Р , Е4 Підвищення проникності судин Лейкотрієни С4, 0 4, Е4 Хемотаксис, адгезія лейкоцитів Лейкотрієн В4 Скорочення не посмугованих м’язів Простагландини: ПГС4, ПГО4, ПГЕ4 Медіатори запалення Стероїди /= Ч ^ = » Ч Х Ч /С О О Н Інші АРАХІДОНОВА КИСЛОТА Інгібітори ЦОГ-1 і ЦОГ-2, аспірин, індометацин НРЕТЕ НЕТЕ ліпоксигенази Інгібітори ліпоксигенази Простагландин С І Простагландин Н Антагоністи лейкотрієнових рецепторів Простациклін Розширення судин, пригнічення агрегації тромбоцитів Лейкотрієн С Лейкотрієн 0 4 Тромбоксан А \ Бронхоспазм, підвищення проникності судин Лейкотрієн Е Звуження судин, посилення агрегації тромбоцитів Простагландин Простагландин Е Розширення судин, підвищення їх проникності Ліпоксин А4 Ліпоксин В, Пригнічення запалення .___________ : Рис. 3.9. С и н те з м етаболітів а р а х ід о н о в о ї кислоти т а їх н я роль при зап а л е н н і. Клінічно значущі антагоністи різних ферментів і рецепторів показані червоним кольором. Оскільки антагоністи лейкотрієнових рецепторів пригнічують усі ефекти лейкотрієнів, їх використовують для лікування астми, як це й показано. ЦОГ-1, ЦОГ-2 - циклооксигенази-1 і -2; НЕТЕ - гідроксиейкозатетраєнова кислота; НРЕТЕ - гідропероксиейкозатетраєнова кислота підвищує проникність посткапілярних венул, тим самим потенціюючи утворення випоту і набряку. ПГГ) також є хемоатрактантом для нейтрофілів. • Тромбоцити містять фермент тромбоксансинтазу, що відповідає за синтез ТХА2 - основного ейкозаноїду тромбоцитів. Це сильний активатор агрегації тромбоцитів і вазоконстриктор, який зумовлює тромбоз. • Судинний ендотелій, навпаки, містить простациклінсинтазу, яка відповідає за утворення простацикліну (ПГІ2) та його стійкого кінцевого продукту ПГР1а. Простациклін - це вазодилататор і сильний інгібітор агрегації тромбоцитів, який запобігає формуванню тромбу на ендотеліальних клітинах. Порушення рівноваги тромбоксан А^-простациклін відіграє важливу роль у розвитку тромбозу вінцевих і мозкових артерій (глава 4). • На додаток до місцевих ефектів простагландини беруть участь у патогенезі болю й жару - основних системних проявів запалення. ПГЕ2 робить шкіру гіперчутливою до больових подразників і спричи нює відчуття жару при інфекціях (див. далі). Лейкотрієни Лейкотрієни продукуються в лейкоцитах і тучних клітинах під дією ліпоксигенази й залучаються до реакцій судин та непосмугованих м'язів і мобілізації лейкоцитів. Синтез лейкотрієнів має численні ета пи, перший з яких генерує лейкотрієн А4, що своєю чергою зумовлює утворення лейкотрієну В4 або С4. Лейкотрієн В4 продукується нейтрофілами і деякими макрофагами, є сильним хемотаксичним чинником й активатором нейтрофілів, спричинюючи агрега цію та адгезію клітин до ендотелію венул, утворен ГЛАВА 3 Запалення і репарація ня АФК і вивільнення лізосомальних ферментів. Лейкотрієн С4, до складу якого входить цистеїніл, та його метаболіти, лейкотрієни 0 4 і Е4, синтезуються переважно в тучних клітинах і спричинюють інтен сивне звуження судин, спазм бронхів (важливо при астмі) та підвищену проникність венул. • • Ліпоксини Ліпоксини також утворюються з арахідонової кис лоти під дією ліпоксигенази, але на відміну від простагландинів і лейкотрієнів вони зменшують запалення шляхом пригнічення мобілізації лейко цитів. Зокрема вони сповільнюють хемотаксис й адге зію нейтрофілів до ендотелію. Особливістю ліпоксинів є необхідність двох клітинних популяцій для біосинте зу. Лейкоцити, зокрема нейтрофіли, продукують про міжні сполуки у процесі синтезу ліпоксину, які пере творюються на ліпоксини за допомогою тромбоцитів, що взаємодіють із лейкоцитами. Фармакологічні інгібітори простагландинів і лейкотрієнів Важливість ейкозано'ідів при запаленні зумовила спро би розроблення препаратів, які пригнічують їх синтез або дію і в такий спосіб зменшують запалення. До цих протизапальних препаратів належать: • Інгібіт ори циклооксигеназхі. Ця група включає аспі рин та інші нестероїдні протизапальні препарати (НПЗП), такі як ібупрофен. Вони пригнічують як ЦОГ-1, так і ЦОГ-2, тим самим блокуючи всі етапи синтезу простагландину (звідси їхня ефективність при лікуванні болю й жару); аспірин робить це шляхом необоротної інактивації циклооксигеназ. Селективні інгібітори ЦОГ-2 - новіший клас зазна чених препаратів, які у 200-300 разів сильніше бло кують ЦОГ-2, аніж ЦОГ-1. Великий інтерес до ЦОГ-2 як терапевтичної мішені зумовлений можливістю ЦОГ-1 відповідати за синтез простагландинів, що залучаються як до запалення, так і до фізіологічних функцій (наприклад, захист епітеліальних клітин шлунка від ураження, індукованого соляною кис лотою), тоді як ЦОГ-2 продукує простагландини, які беруть участь лише у запальній відповіді. Якщо ця гіпотеза правильна, селективні інгібітори ЦОГ-2 мають бути протизапальними без токсичної дії неселективних інгібіторів, застосування яких може призвести до виразки шлунка. Однак зазначені від мінності не є абсолютними, оскільки з'ясувалося, що ЦОГ-2 також відіграє певну роль при фізіологіч ному гомеостазі. Більше того, селективні інгібітори ЦОГ-2 можуть підвищувати ризик розвитку серцево-судинної і цереброваскулярної патології, можли во, тому, що погіршують синтез ендотеліальними клітинами ПГІ2, який запобігає тромбозу, водночас залишаючи незмінним опосередкований ЦОГ-1 синтез ТХА2, який індукує агрегацію тромбоцитів. Отже, селективне пригнічення ЦОГ-2 може змісти ти рівновагу в бік судинного тромбозу, особливо у поєднанні з іншими чинниками, які підвищують ризик тромбозу. Проте ці препарати використо вують у тих хворих, які не мають факторів ризику серцево-судинної патології, і в тих випадках, коли корисні властивості зазначених препаратів перева жають їхні ризики. • л іп о к с и г е н а з и . 5-Ліпоксигеназа не уражується під дією НПЗП, і розроблено багато нових інгібіторів цього ферментативного шляху. Фармакологічні препарати, які пригнічують синтез лейкотрієну (наприклад, зилеутон), ефективні для лікування астми. К о р т и к о с т е р о їд и - протизапальні препарати широкого спектра дії, які зменшують транскрипцію генів, кодуючи ЦОГ-2, фосфоліпазу А2, прозапальні цитокіни (наприклад, ІЬ-1 і ПЧІР) та і N 05. А н т а г о н іс т и р е ц е п т о р ів л е й к о т р іє н у , які блоку ють лейкотрієнові рецептори й запобігають дії лей котрієнів. Ці препарати (наприклад, монтелукаст) ефективні при лікуванні астми. І н г іб іт о р іі Цитокіни і хемокіни Цитокіни - білки, які секретуються багатьма типами клітин (насамперед активованими лімфоцитами, макрофагами й дендритними клітинами, а також ендотеліальними, епітеліальними та сполучнотка нинними клітинами); вони опосередковують і регу люють імунні й запальні реакції. Умовно вважається, що фактори росту, які діють на епітеліальні й мезенхімальні клітини, під впливом цитокінів не групуються. Загальні властивості та функції цитокінів обговорю ються у главі 5. Тут розглядаються цитокіни, залучені до гострого запалення (табл. 3.7). Ф а кт о р некрозу пухлин т а інтерлейкін-1 ТГМР і ІЬ-1 відіграють вирішальну роль у мобіліза ції лейкоцитів, сприяючи їх адгезії до ендотелію та міграції через судини. Зазначені цитокіни син тезуються переважно активованими макрофагами й дендритними клітинами; П^ІР також продукується Т-лімфоцитами і тучними клітинами, а ІЬ-1 - деякими епітеліальними клітинами. Секрецію ТІ\ІТ і ІЬ-1 здатні стимулювати мікробні продукти, сторонні тіла, некро тичні клітини та інші запальні подразники. Синтез ТИР індукують сигнали через ТЬК та інші мікробні сенсори, а синтез ІЬ-1 - ті самі сигнали, але утворення біологічно активної форми цього цитокіну залежить від інфламасоми, як це описано раніше. Дія ПМР і ІЬ-1 зумовлює місцеві й системні реакції запалення (рис. 3.10). Найважливіші ефекти зазначе них цитокінів при запаленні такі: • А к т и в а ц ія е н д о т е л ію . Як ПМР, так і ІЬ-1 діють на ендотелій, щоб індукувати спектр змін, який має назву активація ендотелію. До таких змін належать: посилена експресія молекул ендотеліальної адгезії, переважно Е- і Р-селектинів та лігандів для лейко цитарних інтегринів; посилене продукування різ номанітних медіаторів, включаючи інші цитокіни й хемокіни, та ейкозанощів; підвищена прокоагулянтна активність ендотелію. • А к т и в а ц ія л е й к о ц и т ів та ін ш и х к л іт и н . ТИ Р посилює відповідь нейтрофілів на інші подразни ки, такі як бактеріальний ендотоксин, і стимулює мікробіцидну діяльність макрофагів. ІЬ-1 активує фібробласти для синтезу колагену, пришвидшує проліферацію синовіальних та інших мезенхімальних клітин. Окрім того, ІЬ-1 й ІЬ-6 стимулюють утво рення субпопуляції С 04+ Т-хелперів, які називають клітинами ТЬ17 й описані далі, а також у главі 5. Медіатори запалення Таблиця 3.7. Ц и т о к ін 77 Цитокіни при запаленні О сновне д ж ер ел о О с н о в н а д ія п р и з а п а л е н н і I Гостре запалення і ТИР Макрофаги, тучні клітини, Т-лімфоцити Стимулює експресію ендотеліальних адгезивних молекул і секрецію інших цитокінів; системна дія И-1 Макрофаги, ендотеліальні клітини, деякі епітелі альні клітини Схожа на таку Т№ ; більша роль при жару і- б Макрофаги, інші клітини Системна дія (гострофазова відповідь) Хемокіни Макрофаги, ендотеліальні клітини, Т-лімфоцити, тучні клітини, інші типи клітин Мобілізація лейкоцитів у вогнище запалення; міграція клітин у нормальних тканинах И-17 Т-лімфоцити Мобілізація нейтрофілів і моноцитів І Х ронічне запалення 11.-12 Дендритні клітини, макрофаги Посилений синтез ІРГ\І-у ІРІ\І-у Т-лімфоцити, КІК-клітини Активація макрофагів (посилена здатність знищувати мікроби й пухлинні клітини) ІЬ-17 Т-лімфоцити Мобілізація нейтрофілів і моноцитів ІРИ-у —інтерферон-у; И-1 - інтерлейкін-1; Л/К- натуральний кілер; 7М- - фактор некрозу пухлин. У таблиці перераховано найважливіші цитокіни, залучені до запальних реакцій. Багато інших цитокінів відіграють меншу роль. Також існує значне перекривання між цито кінами, залученими до гострого й хронічного запалення; отже, усі цитокіни, характерні для гострого запалення, також можуть зумовлювати реакції хронічного запалення. • Системна гост р оф азова відп овід ь. ІЬ-1 і ТГ\ІР (а також ІЬ-6) індукують системні відповіді в гострій фазі, пов'язані з інфікуванням або ушкодженням, включаючи жар (див. далі). Вони також причетні до патогенезу синдрому системної запальної від повіді, що є результатом дисемінованої бактеріаль ної інфекції (сепсису) та інших тяжких станів, які будуть описані пізніше. • ТИР регулює енергетичний баланс, сприяючи ката болізму ліпідів та білків і зменшуючи апетит. Отже, тривале продукування ТИР спричинює кахексію - МІСЦЕВЕ ЗАПАЛЕННЯ патологічний стан, який характеризується значним зменшенням маси тіла, атрофією м'язів та анорексією; кахексія супроводжує деякі хронічні інфекції й онкологічні захворювання. Як згадувалося раніше, антагоністи ТNБ дуже ефективні при лікуванні хронічних запальних хвороб, зокрема ревматоїдного артриту, псоріазу та деяких запальних захворювань кишок. Одним із ускладнень такої терапії є підвищена чутливість до мікобактеріальної інфекції в результаті пригнічення СИСТЕМНІ ЗАХИСНІ ЕФЕКТИ Підвищена проникність судин СИСТЕМНІ ПАТОЛОГІЧНІ ЕФЕКТИ Головний мозок Посилена експресія адгезивних молекул 4 Малий викид Печінка Ендотеліальні клітини Лейкоцити Ендотеліальні клітини, кровоносні судини хемокіни И-1,И-6, хемокіни Гострофазові білки Підвищена проникність судин Тромб Активація Кістковий мозок нші тканини Скелетний Хемокіни Інші И-17 =£>типи = клітин Продукування лейкоцитів Резистентність до інсуліну Рис. 3 .1 0 . О сно в ні ролі ц и т о кін ів при го с тр о м у зап а л е н н і. ТСГ - тромбоцитарний фактор росту; ПГЕ - простагландин Е; ПГІ - проста гландин І 78 ГЛАВА 3 Запалення і репарація здібності макрофагів знищувати внутрішньоклітинні мікроби. Хоча багато зазначених дій ТИР і ІЬ-1 подібні, антагоністи 1Т-1 не такі ефективні, але причини цього залишаються незрозумілими. Окрім того, блокування будь-якого цитокіну не призводить до позитивного ефекту при лікуванні сепсису, можливо, тому, що цю тяжку системну запальну реакцію спричинюють інші цитокіни. Хемокіни Хемокіни - сімейство невеликих (8-10 кДа) білків, які діють переважно як хемоатрактанти для специфіч них типів лейкоцитів. Нині ідентифіковано близько 40 хемокінів і 20 різних рецепторів для них. їх класифі кують у чотири основні групи залежно від розміщення цистеїнових (С) залишків у білках: • СХС-хемокіни мають один амінокислотний залишок, який розділяє перші два із чотирьох консервативних цистеїнів. Вони діють насамперед на нейтрофіли. Типовим для цієї групи є ІТ-8 (тепер його називають СХСТ8), який секретується активованими макро фагами, ендотеліальними клітинами та іншими типами клітин, зумовлює активацію і хемотаксис нейтрофілів з обмеженою дією на моноцити й еози нофіли. Його найважливіші індуктори - це мікроб ні продукти та цитокіни, переважно ІЬ-1 і ТNР. • СС-хемокіни характеризуються тим, що перші два консервативні цистеїни є суміжними. До них належать моноцитарний хемоатрактантний білок (МСР-1, ССЬ2), еотаксин (ССІЛ1) і макрофагальний запальний білок 1а (МІР-Іа, ССЬЗ), які слугують хемоатрактантами для моноцитів, еозинофілів, базофілів і лімфоцитів. Хоча дія більшості хемокінів цього класу перекриває одна одну, еотаксин селек тивно мобілізує еозинофіли. • С-хемокіни вирізняються відсутністю першого і третього із чотирьох консервативних цистеїнів. Ці хемокіни (наприклад, лімфотоксин, ХСІЛ) є віднос но специфічними для лімфоцитів. • СХ^С-хемокіни містять три амінокислоти між перши ми двома цистеїнами. Єдиний відомий член цього класу - фракталкін (СХ^СІЛ). Він існує у двох фор мах: зв'язаний із клітинною оболонкою білок, який індукується на ендотеліальних клітинах унаслідок дії запальних цитокінів і зумовлює виражену адге зію моноцитів і Т-лімфоцитів, і розчинна форма, утворена шляхом протеолізу зв'язаного з оболон кою білка, яка чинить сильну хемоатрактантну дію на ті самі клітини. Дія хемокінів опосередкована зв'язуванням із 7-трансмембранними протеїн С-зв'язаними рецепто рами. Зазвичай ці рецептори виявляють подібні специ фічності лігандів, а лейкоцити - експресують численні рецептори. Певні рецептори хемокінів (СХСК4, ССК5) діють як корецептори для глікопротеїду оболонки вірусу імунодефіциту людини (ВІЛ), що є причиною СНІДу, і в такий спосіб зумовлюють зв'язування і про никнення вірусу в клітини (глава 5). Хемокіни зв'язуються із протеогліканами й у вели кій кількості виявляються на поверхні ендотеліальних клітин і в ПКМ. Вони виконують дві основні функції: • Гост ре запалення. Більшість хемокінів стимулює прикріплення лейкоцитів до ендотелію; вони діють на лейкоцити, посилюючи споріднення інтегринів, а також слугують хемоатрактантами, тим самим мобілізуючи лейкоцити до вогнищ інфекції або ураження тканин. Через те що вони опосередкову ють аспекти запальної реакції, їх інколи називають запальними хемокінами. Синтез цих хемокінів індуку ють мікроби й інші чинники. • П ідт рим ання архіт ект оніки тканин. Деякі хемокі ни постійно продукуються стромальними клітина ми в тканинах, тому їх інколи називають гомеоста тичними хемокінами. Вони організують різноманітні типи клітин у різних анатомічних ділянках, напри клад, Т- і В-лімфоцити в окремих ділянках селезінки і лімфатичних вузлах (глава 5). Хоча роль хемокінів при запаленні добре визначе на, виявилося, що причиною труднощів у розробленні антагоністів, які пригнічують запалення, є надмірна функціональна активність цих білків. Інші цитокіни при гострому запаленні Список цитокінів, які причетні до запалення, величез ний і постійно збільшується. На додаток до описаних раніше значний інтерес викликають ІІ_-6, що синтезу ється макрофагами й іншими клітинами, залученими до місцевих і системних реакцій, та ІЬ-17, що продуку ється переважно Т-лімфоцитами і сприяє мобілізації нейтрофілів. Антагоністи рецепторів ІЬ-6 використо вують для лікування ревматоїдного артриту, а анта гоністи 1Ь-17 дуже ефективні при псоріазі й інших запальних хворобах. Деякі системні прояви запалення зумовлюють інтерферони І типу, нормальною функці єю яких є пригнічення реплікації вірусу. Цитокіни віді грають ключову роль також при хронічному запаленні (див. далі). Система комплементу Система комплементу - це комплекс розчинних білків і рецепторів їхніх мембран, який функціо нує переважно для захисту організму від мікробів і при патологічних запальних реакціях. Існує понад 20 білків системи комплементу; деякі з них нумерують від С І до С9. Вони є компонентами природженого і набутого імунітету для захисту від мікробних патогенів. у процесі активації цієї системи утворюється кілька продуктів розщеплення її білків, що спричинює підви щену проникність судин, хемотаксис й опсонізацію. Активацію та функції системи комплементу стисло викладено на рис. 3.11. Білки системи комплементу в неактивній формі наявні в плазмі, і більшість із них активується, щоб стати протеолітичними ферментами, які зумовлю ють деградацію інших білків, тим самим утворюючи ферментативний каскад, здатний до вираженої амп ліфікації. Вирішальним етапом в активації системи комплементу є протеоліз третього (і найчисленнішого) компонента - СЗ. Розщеплення СЗ відбувається одним із трьох шляхів, наведених нижче: • Класичний шлях, що індукується фіксацією СІ до антитіла (І§М або І§С), яке з'єдналося з антигеном. • Альтернативний шлях, який можуть активувати молекули оболонки мікробної клітини (наприклад, ендотоксини або ліпополісахариди - ЛПС), ком- Медіатори запалення ЕФЕКТОРНІ ФУНКЦІЇ Альтерна тивний шлях Мікроб Мобілізація та активація лейкоцитів Руйнування мікробів лейкоцитами СЗЬ: фагоцитоз Класичний шлях Антитіло Лектиновий шлях ,, СЗЬ відкладається на мікробі Розпізнавання зв'язаного СЗЬ СЗЬ-рецептором фагоцита Фагоцитоз мікроба МАК: лізис мікроба Манозозв'язаний лектин Утворення (й мембраноата кувального комплексу (МАК) Рис. 3 .1 1 . А к т и в а ц ія т а ф у н к ц ії систем и ко м п л е м е н ту . Активація системи комплементу різними шляхами зумовлює розщеплення СЗ. Функції цієї системи опосередковуються продуктами розщеплення СЗ та інших її білків і мембраноатакувальним комплексом плексні полісахариди й інші речовини за відсутнос ті антитіл. • Пектиновий шлях, при якому манозозв'язаний лек тин плазми з'єднується з вуглеводами на оболонці мікробів і безпосередньо активує СІ. Усі три шляхи активації системи комплементу зумовлюють утворення ферменту СЗ-конверт ази, який розщеплює компоненти СЗ на два функціо нальні фрагменти - СЗа і СЗЬ. Перший вивільнюєть ся, а другий ковалентно прикріплюється до клітини або молекули, де система комплементу активується. Потім більша частина СЗЬ зв'язується із раніше генеро ваними фрагментами, щоб утворити С5-конвертазу, яка вивільнює С5а і залишає СЗЬ прикріпленим до поверх ні клітини. СЗЬ зв'язує пізні компоненти (С6-С9), кульмінацією чого є утворення мембраноатакувального комплексу (МАК), який складається із численних молекул С9. Ферментативна активність білків системи комплементу зумовлює таку значну ампліфікацію, що протягом 2-3 хв на поверхні мікроба можуть відкласти ся мільйони молекул СЗЬ! Система комплементу виконує три основні функції (рис. 3.11): • Запалення. С5а і, меншою мірою, С4а й СЗа - це продукти розщеплення відповідних компонентів системи комплементу, які стимулюють вивільнення гістаміну із тучних клітин і в такий спосіб підвищу ють проникність судин і зумовлюють розширення судин. їх називають анафілатоксинами, тому що їхні ефекти схожі на ефекти медіаторів тучних клітин, які залучаються до реакції під назвою анафілаксія (глава 5). С5а також є хемотаксичним фактором для нейтрофілів, моноцитів, еозинофілів і базофі лів. Окрім того, С5а активує ліпоксигеназний шлях метаболізму арахідонової кислоти в нейтрофілах та моноцитах, зумовлюючи вивільнення більшої кіль кості медіаторів запалення. • О псонізація і ф агоцит оз. При фіксації до оболонки мікробної клітини СЗЬ та продукт його розщеплен ня іСЗЬ (неактивний СЗЬ) діють як опсоніни і спри яють фагоцитозу нейтрофілами й макрофагами, які несуть рецептори клітинної оболонки для цих фрагментів системи комплементу. • Л ізис клітин. МАК «висвердлює» дірки у клітинній оболонці, що робить клітини проникними для води та йонів і в результаті призводить до їх осмотичної загибелі (лізису). Ця функція важлива переважно для кілінгу мікробів із тонкими клітинними обо лонками, таких як Nеіз8е^іа. Отже, дефіцит різних компонентів системи комплементу зумовлює розви ток менінгококової та гонококової інфекції. У хво рих із дефектами системи комплементу ці мікроби здатні спричинювати тяжкі дисеміновані інфекції. Активація системи комплементу контролюється зв'язаними із клітинами й циркулюючими регу ляторними білками. Різноманітні регуляторні білки пригнічують утворення активних фрагментів або видаляють ті фрагменти, які відкладаються на клі тинах. Вони експресуються на нормальних клітинах організму й у такий спосіб запобігають ушкодженню здорових тканин у місцях активації системи компле менту. Регуляторні білки можуть бути знищені, якщо на клітинах і в тканинах організму відкладається знач на кількість компонентів; зокрема це відбувається при аутоімунних хворобах унаслідок утворення антитіл, які фіксують білки системи комплементу, проти влас них клітинних і тканинних антигенів (глава 5). До най важливіших регуляторних білків належать: • Ін гібіт ор СІ, який блокує активацію СІ - першо го білка класичного шляху системи комплементу. 80 ГЛАВА 3 Запалення і репарація Природжений дефіцит цього інгібітора спричинює спадковий ангіоневротичний набряк. • Ф акт ор прискорення розпаду (О А ґ) і С/)59 - два білки, які зчеплені із плазматичними мембранами глікофосфатидиловим (ГФІ) якорем. БАР запобігає синтезу СЗ-конвертаз, а СГ359 пригнічує утворення МАК. Набутий дефіцит ферменту, який утворює ГФІякорі, призводить до недостатності цих регуляторів, надмірної активації системи комплементу й лізису еритроцитів (які чутливі до опосередкованого регуля торними білками лізису клітин). Як наслідок, розви вається пароксизмальна нічна гемоглобінурія (глава 12). • Інші регуляторні білки системи комплементу роз щеплюють його активні компоненти шляхом про теолізу. Наприклад, ф акт ор Н - це плазматичний білок, який слугує кофактором для протеолізу СЗ-конвертази; його дефіцит призводить до надмір ної активації системи комплементу. Мутації фак тору Н асоціюються із патологією нирок, яку нази вають гемолітико-уремічним синдромом (глава 14), а також із підвищеною проникністю судин сітківки при мокрій (вологій) дегенерації жовтої плями. Система комплементу зумовлює розвиток хвороби кількома способами. Важливим механізмом ушкодження є активація її антитілами або комплексами антиген-антитіло, які відкладаються на клітинах і тканинах організму (глава 5). Успадкований дефіцит білків системи компле менту призводить до підвищеної сприйнятливості до інфекцій, а дефіцит регуляторних білків, як уже згадува лося раніше, є причиною різноманітних розладів. Інші медіатори запалення Фактор активації тромбоцитів Фактор активації тромбоцитів (ФАТ, РАР) - це медіатор, який синтезується із фосфоліпідів. Його було відкрито як фактор, що спричинює агрегацію тромбоцитів, але зараз відомо, що він має багато інших ефектів. РАР можуть продукувати різноманітні типи клітин, включа ючи самі тромбоцити, базофіли, тучні клітини, макро фаги й ендотеліальні клітини. Окрім агрегації тромбо цитів РАР спричинює звуження судин і бронхів, а при низькій концентрації індукує розширення і підвищену проникність судин. Незважаючи на ці задокументовані факти, випробування антагоністів РАР при різноманіт них запальних станах не дають очікуваного ефекту. Продукти коагуляції Результати досліджень, проведених понад 50 років тому, дали змогу припустити, що пригнічення коагуляції зменшує запальну реакцію на деякі мікроби, і тим самим навели на думку про те, що коагуляція і запалення - це взаємопов'язані процеси. Таку концепцію підтрима ло відкриття рецепторів, що активуються протеазами (ПАР); їх активує тромбін (протеаза, яка розщеплює фібриноген для утворення фібринового згустка). ПАР експресуються на лейкоцитах, що припускає їх певне значення при запаленні, але свою основну роль вони відіграють у тромбоцитах: активація ПАР, відомого як рецептор тромбіну, є сильним спусковим гачком агрегації тромбоцитів під час згортання крові (глава 4). Насправді ж складно роз'єднати утворення згустків кро ві й запалення, тому що всі форми ушкодження тканин, які призводять до формування згустків, також індукують і запалення, а останнє спричинює зміни в ендотеліаль них клітинах, які підвищують вірогідність аномального утворення згустків (тромбоз, описаний у главі 4). Досі не з'ясовано, чи самі собою продукти коагуляції відіграють значну роль у стимуляції запалення. Кініни Кініни - вазоактивні пептиди, утворені із білків плаз ми - кініногенів під дією специфічних протеаз, які нази вають калікреїнами. Калікреїн розщеплює плазмовий попередник глікопротещу - кініноген із великою моле кулярною масою - для продукування брадикініну. Після ін'єкції у шкіру брадикінін підвищує проникність судин, спричинює скорочення непосмугованих м'язів і розширення кровоносних судин, а також появу болю. Ці ефекти схожі на ефекти гістаміну. Дія бради кініну короткочасна, тому що він швидко інактивується ферментом під назвою кініназа. Брадикінін є медіатором деяких форм алергійної реакції, таких як анафілаксія. Нейропептиди Нейропептиди секретуються чутливими нервами й різ номанітними лейкоцитами і можуть відігравати роль в ініціації та регуляції запальних відповідей. Ці маленькі пептиди, включаючи речовину Р і нейрокінін А, проду куються у центральній та периферичній нервових сис темах. Нервові волокна, що містять речовину Р, широко представлені в легенях і травному тракті. Речовина Р виконує багато біологічних функцій, включаючи передачу больових сигналів, регуляцію артеріального тиску, стимуляцію секреції гормонів ендокринними клітинами й участь у підвищенні проникності судин. Коли Льюіс (Ь е т з ) відкрив роль гістаміну в запален ні, вважалося, що досить й одного медіатора. Зараз ми в них потопаємо! Однак у цьому великому списку існує кілька медіаторів, які є найважливішими для реакцій гострого запалення іп і’іі’о (табл. 3.8). Зазначений спи сок частково складено із протизапальних ефектів анта- Таблиця 3.8. Роль медіаторів при різних запальних реакціях Запальна реакція Основні медіатори Розширення судин Гістамін Простагландини Підвищення проникності судин Гістамін СЗа і С5а (вивільнення вазоактивних амінів із тучних клітин, інших клітин) Лейкотрієни С4, 0 4, Е4 Хемотаксис, мобілізація й активація леикоцитів ТИР, И-1 Хемокіни СЗа, С5а Лейкотрієн В4 Жар И-1, ТМР Простагландини Біль Простагландини Ушкодження тканин Лізосомальні ферменти лейкоцитів Брадикінін Активні форми кисню Морфологічна картина гострого запалення гоністів цих молекул, привертаючи тим самим увагу до важливості фундаментальної біології для лікуван ня. Велика кількість медіаторів та вираженість їхньої дії гарантують, що така захисна реакція залишається надійною і її нелегко зруйнувати. п ЕЗЮ Р МЕ ОСНОВНІ МЕДІАТОРИ ЗАПАЛЕННЯ • Вазоактивні аміни, насамперед гістамін: розширення судин і підвищення їх проникності. • Метаболіти арахідонової кислоти (простагландини й лейко трієни): існує декілька форм, які залучаються до судинних ре акцій, хемотаксису лейкоцитів та інших реакцій запалення; їм протидіють ліпоксини. • Цитокіни: ці білки синтезуються багатьма типами клітин; за звичай діють на близькій відстані; опосередковують числен ні ефекти, переважно при мобілізації та міграції лейкоцитів; основними при гострому запаленні є ТИР, И-1 і хемокіни. • Білки системи комплементу: активація системи комплементу мікробами й антитілами зумовлює утворення численних про дуктів деградації, які відповідають за хемотаксис лейкоцитів, опсонізацію та фагоцитоз мікробів й інших часток, а також за кілінг клітин. • Кініни: утворюються шляхом протеолітичного розщеплення попередників; опосередковують судинну реакцію й біль. МОРФОЛОГІЧНА КАРТИНА ГОСТРОГО ЗАПАЛЕННЯ Характерними морфологічними ознаками гострого запалення є розширення дрібних кровоносних судин і накопичення лейкоцитів та рідини у позасудинному просторі. Судинні й клітинні реакції - це основна при чина ознак і симптомів запальної відповіді. Посилений приплив крові до ушкодженої ділянки та підвищена про никність судин зумовлюють накопичення позасудинної рідини, яка багата на білки плазми (набряк - есіета), і пояс нюють почервоніння (гіперемія - гиЬог), нагрівання (жар саіог) та набряк (припухлість - іитог), що супроводжують гостре запалення. Лейкоцити, які мобілізуються й акти вуються провокувальними чинниками та ендогенними медіаторами, можуть вивільняти токсичні метаболіти й протеази, спричинюючи ураження тканин і порушення функції Цїтсііо Іаеза). Одним із місцевих симптомів ура ження, частково внаслідок вивільнення простагландинів, нейропептидів і цитокінів, є біль (йоіог). Хоча ці загальні ознаки характерні для найгостріших запальних реакцій, морфологічні прояви гостро го запалення можуть різнитися залежно від тяжкості реакції, її специфічної причини, залучення конкретної тканини та місця ураження. Важливість розпізнавання чіткої макроскопічної і мікроскопічної картини запа лення полягає в тому, що зазвичай це дає змогу вияви ти першопричини запалення. Рис. 3 .1 2 . С е р о з н е з ап а л е н н я . Зображення з малим збільшенням: поперечний розріз пухиря; видно епідерміс, відокремлений від дерми внаслідок вогнищевого накопичення сироваткового ексудату або в порожнини тіла, вистелені очеревиною, плеврою чи перикардом. Як правило, при серозному запаленні рідина не інфікується мікроорганізмами і не містить великої кількості лейкоцитів (які є характерними для гнійного запалення, що буде описано далі). У порожни ни тіла рідина може потрапляти із плазми (у результаті підвищеної проникності судин) або із секретів мезотеліальних клітин (унаслідок місцевого подразнен ня); скупчення рідини в цих порожнинах називають ефузією. (Ефузія транссудату також трапляється при незапальних станах, таких як зменшений відтік крові при серцевій недостатності або знижений рівень білків плазми при деяких хворобах нирок і печінки.) Поява пухиря на шкірі внаслідок опіку або вірусних інфекцій зумовлена скупченням серозної рідини всередині епі дермісу або безпосередньо під ним (рис. 3.12). Фібринозне запалення Фібринозний ексудат утворюється у раз значного пропотівання рідини із судин або за наявності міс цевого прокоагулянтного подразника. При значному підвищенні проникності судин білки із високою моле кулярною масою, такі як фібриноген, залишають кров, і в позаклітинному просторі утворюється й відкладається фібрин. Фібринозний ексудат є характерною ознакою запалення у порожнинах тіла, таких як мозкові оболони, перикард (рис. 3.13, А) і плевра. Мікроскопічно фібрин має вигляд еозинофільної ніздрюватої сітки із волокон, інколи - аморфної маси (рис. 3.13, Б). Фібринозний ексудат може розсмоктуватися завдяки фібринолізу й знешкоджуватися макрофагами. Якіцо фібрин не вида лився, згодом він може зумовити проростання фібро бластів і кровоносних судин, призводячи до рубцюван ня. Перетворення фібринозного ексудату на рубцеву тканину (організація) усередині перикардіального мішка спричинює фібринозне стовщення перикарда й епікар да у вогнищі ексудації; якщо фіброз виражений - від бувається зарогцення навколосерцевого простору. Серозне запалення Гнійне запалення, абсцес Серозне запалення проявляється пропотіванням рідини з невеликим умістом клітин у простори, утво рені внаслідок ушкодження поверхневих епітеліоцитів, Гнійне запалення характеризується утворенням гною - ексудату, який складається із нейтрофілів, рідких продуктів розпаду некротичних клітин ГЛАВА 3 Запалення і репарація Рис. 3 .1 3 . Ф іб р и н о зн и й п е р и к а р д и т : А - відкладення фібрину на перикарді. Б - рожева ніздрювата сітка фібринового ексудату ( 1) пере криває поверхню перикарда (2) і набрякової рідини. Найчастішою причиною гній ного запалення слугує інфікування бактеріями, що зумовлюють вологий некроз тканин, зокрема стафіло коками; їх називають піогенними (такими, що виробля ють гній) бактеріями. Поширеним прикладом гострого гнійного запалення є гострий апендицит. А бсцес - локальне скупчення гною внаслідок ураження будь-якої тканини, органа чи обмеженого простору. Його спричинює інфікування тканин піо генними бактеріями (рис. 3.14). у центральній зоні абсцесу локалізується гнійний ексудат, у складі якого переважають некротично змінені численні лейкоцити й макрофаги. Зазвичай навколо вогнища некрозу роз міщується зона інтактних нейтрофілів, а за межами цієї зони виявляють розширення судин і паренхіма тозну та фібробластичну проліферацію. Також мож лива картина хронічного запалення і репарації. Згодом навколо абсцесу може розростатися сполучна тканина. Абсцеси, які тривало не розсмоктуються або локалізу ються у життєво важливих органах (таких як головний мозок), можуть потребувати хірургічного дренування. Виразки В и разка - місцевий дефект або порожнина на поверхні органа чи тканини в результаті відшару вання (лущення) некротичної тканини (рис. 3.15). Виразки можуть утворюватися лише тоді, коли на поверхні тканини або біля неї наявні вогнища некро зу і запалення, зумовленого ним. Найчастіше це від бувається у (І) слизовій оболонці рота, шлунка, кишок або сечових шляхів і (2) шкірі й підшкірній клітковині нижніх кінцівок в осіб похилого віку із розладами кро вообігу, які зумовлюють обширний ішемічний некроз. При таких виразках, як пептичні виразки шлунка або дванадцятипалої кишки й діабетичні виразки нижніх кінцівок, гостре і хронічне запалення часто співісну ють. у гострій стадії спостерігаються інтенсивна поліморфноядерна інфільтрація та розширення судин по краях дефекту. У разі хронізації процесу по краях і на дні виразки відбуваються фібробластна проліферація та рубцювання, скупчуються лімфоцити, макрофаги і плазматичні клітини. Рис. 3.14. Гнійне зап ал енн я: А - численні бактеріальні абсцеси (стрілки) у легені при бронхопневмонії. Б - абсцес містить нейтрофіли й продукти розпаду некротичних клітин; він оточений судинами, які переповнені кров'ю Наслідки гострого запалення М орф ол огія вир азки: А - хронічна виразка дванадцятипалої кишки. Б - зображення з малим збільшенням: поперечний розріз кратера виразки дванадцятипалої кишки із гострозапальним ексудатом на дні Рис. 3 .1 5 . ділянки - резолюцією; це звичайний результат, якщо ушкодження обмежене або короткочасне, або якщо руйнування тканин незначне й уражені паренхіма тозні клітини здатні регенерувати. Резолюція вклю чає видалення продуктів розпаду клітин і мікробів макрофагами та резорбцію набрякової рідини лім фатичними протоками. НАСЛІДКИ ГОСТРОГО ЗАПАЛЕННЯ Як можна було очікувати, основний процес запалення здатні модифікувати багато змінних чинників, зокре ма етіологія та інтенсивність ушкодження, локалізація ураження, тип тканини і реактивність організму, але зазвичай гострі запальні реакції мають один із трьох наслідків (рис. 3.16): • П о в н а н о р м а л із а ц ія . В ідеалі після успішного вида лення провокувального чинника всі запальні реакції мають закінчуватися відновленням стану ураженої • З а г о є н н я ш л я х о м з а м іщ е н н я с п о л у ч н о ю т к а н и н о ю (р у б ц ю в а н н я , або ф іб р о з ) . Це відбувається після значного руйнування тканин, коли запальна реак ція поширюється на тканини, не здатні до регене рації, або коли в тканині чи серозних порожнинах ГОСТРЕ ЗАПАЛЕННЯ НОРМ АЛІЗАЦІЯ • Знешкодження провокувальних чинників • Інактивація медіаторів і гострозапальних клітин • Заміщення ушкоджених клітин • Нормальна функція • Судинні З М ІН И • Мобілізація нейтрофілів • Синтез медіаторів Інфаркт Бактеріальні інфекції Токсини Травма Утворення гною (абсцес) Прогресування Загоєння Загоєння Загоєння Вірусні інфекції Хронічні інфекції Стійке ушкодження Аутоімунні хвороби ФІБРОЗ • Порушення функції ХРОНІЧНЕ ЗАПАЛЕННЯ • Ангіогенез • Інфільтрація одноядерними клітинами • Фіброз (рубець) Рис. 3 .1 6 . Результати го с тр о го зап ал енн я: н о р м а л іза ц ія , загоєнн я із ф іб ро зо м аб о х р о н іч н е зап а л е н н я. Надано перелік компо нентів різноманітних реакцій та їхніх функціональних результатів ГЛАВА 3 • Запалення і репарація (плевра, очеревина) розвинулась надмірна фібринова ексудація, яку не вдається належним чином знешкодити. В усіх цих ситуаціях сполучна тканина проростає в ділянку ураження або в ексудат, пере творюючи їх на фіброзну тканину. Х р о н іч н е з а п а л е н н я . Перехід із гострого стану в хронічний відбувається тоді, коли гостра запальна відповідь не може регресувати внаслідок персистентної дії провокувального чинника або якогось втручання у нормальний процес загоєння. ХРОНІЧНЕ ЗАПАЛЕННЯ Хронічне запалення - це відповідь із тривалою дією (тижні або місяці), при якій співіснують різноманітні комбінації запалення, ушкодження тканин і спроб репарації. Воно може виникати після гострого запа лення, як це було описано раніше, або розвиватися під ступно як процес із млявим, а інколи - і прогресивним перебігом без жодних ознак попередньої гострої реакції. Причини хронічного запалення синтезом і відкладанням у тканинах ендогенного холестеролу та інших ліпідів. • Деякі форми хронічного запалення можуть бути важливими в патогенезі х в о р о б , я к і т р а д и ц ій н о н е в в а ж а ю т ь з а п а л ь н и м и . До них належать нейродегенеративні захворювання, зокрема хвороба Альцгеймера, а також метаболічний синдром, цукровий діабет 2-го типу й певні види раку, при яких запальні реакції зумовлюють розвиток пухли ни. Роль запалення при цих станах обговорюється у відповідних главах. Морфологічні ознаки На відміну від гострого запалення, яке проявляється судинними змінами, набряком і переважно нейтрофільною інфільтрацією, для хронічного запалення характерні такі ознаки: • ін ф іл ь т р а ц ія о д н о я д е р н и м и к л іт и н а м и , до яких належать макрофаги, лімфоцити й плазматичні клітини (рис. 3.17); • р у й н у в а н н я т к а н и н , індуковане стійким провокувальним чинником або запальними клітинами; Хронічне запалення виникає за таких умов: • П е р с н с т е н т н і ін ф е к ц ії, збудниками яких слугу ють мікобактерії, певні віруси, грибки й паразити. Ці організми часто спричинюють імунну реакцію, яку називають гіперчутливістю сповільненого типу (глава 5). Інколи запальна відповідь набуває особ ливої картини, що має назву гранульоматозного запалення (див. далі). В інших випадках гостре запа лення, яке не регресувало, переходить у хронічне запалення, як це відбувається, наприклад, коли гостра бактеріальна інфекція легень прогресує у хронічний абсцес. • Х в о р о б и г іп е р ч у т л и в о с т і. Хронічне запалення відіграє важливу роль у групі захворювань, спри чинюваних надмірною і невідповідною активацією імунної системи (глава 5). При аутоімунних хворобах власні (ауто-) антигени зумовлюють нескінченну імунну реакцію, що призводить до хронічного запа лення й ураження тканин; прикладами цього є рев матоїдний артрит і розсіяний склероз. При алергійних хворобах хронічне запалення виникає внаслідок надмірної імунної відповіді проти багатьох чинни ків із навколишнього середовища, як це відбуваєть ся при бронхіальній астмі. Оскільки такі аутоімунні й алергійні реакції розвиваються проти антигенів, які за нормальних умов нешкідливі, зазначені реак ції позбавлені корисної дії і лише спричинюють хворобу. Такі захворювання можуть мати морфо логічну картину змішаного гострого й хронічного запалення, тому що характеризуються рецидивами. У пізній стадії може домінувати фіброз. • Т р и в а л и й в п л и в п о т е н ц ій н о т о к с и ч н и х ч и н н и к ів е к з о г е н н и х а б о е н д о г е н н и х . Прикладом екзогенного чинника слугують мікрочастки кремнію діоксиду неживого матеріалу, який не розкладається, але його тривале вдихання призводить до запального захворювання легень під назвою силікоз (глава 13). Атеросклероз (глава 10) - це хронічний запальний процес, який уражує стінку артерій; вважається, що принаймні частково він індукується надмірним Рис. 3 .1 7. В ид и зап ал енн я: А - хронічне запалення легень, яке демонструє всі три характерні гістологічні ознаки: ( 1) накопичення клітин хронічного запалення (позначено зірочкою); (2) руйнування паренхіми (нормальні альвеоли замінюються просторами, вистеле ними кубічним епітелієм, вістря стрілок); (3) заміщення сполучною тканиною (фіброз, стрілки). Б - гостре запалення легень (гостра бронхопневмонія): нейтрофіли заповнюють альвеолярні простори, а кровоносні судини переповнені кров'ю Хронічне запалення • с п р о б іі з а г о є н н я шляхом заміщення ураженої тка нини сполучною, що досягається за допомогою ангіогенезу (проліферації кровоносних судин малого калібру) й особливо фіброзу. Оскільки ангіогенез і фіброз є також компонентами загоєння та репарації ран, вони обговорюються пізні ше, у контексті репарації тканин. К літини і медіатори хр о н ічн о го запалення Комбінація лейкоцитарної інфільтрації, ураження тка нин і фіброзу, яка характеризує хронічне запалення це результат місцевої активації декількох типів клітин і синтезу медіаторів. Роль макрофагів При більшості хронічних запальних реакцій домі нантними клітинами € макрофаги, які секретують цитокіни і фактори росту, що діють на різноманіт ні клітини, руйнуючи чужорідні агенти і тканини й активуючи інші клітини, зокрема Т-лімфоцити. Макрофаги - це професіональні фагоцити, що діють як фільтри на тверді частки, мікроби й старі клітини. Вони також функціонують як ефекторні клітини, що видаляють мікроби під час клітинної та гуморальної імунних відповідей (глава 5). Однак при запаленні й репарації вони відіграють і багато інших ролей. Тут ми розглядаємо фундаментальну біологію макро фагів, включаючи їхній розвиток і функціональні відповіді. Кістковий мозок Гемопоетичні Макрофаги утворюються із гемопоетичних стов бурових клітин у кістковому мозку і з клітин-погіередників у жовтковому мішку ембріона та печінці плода у стадії раннього розвитку (рис. 3.18). Циркулюючі клітини такого походження називають моноцитами. За нормальних умов макрофаги дифузно розміщені в інтерстиції органів і тканин. Окрім того, вони локалі зуються у специфічних ділянках печінки (де їх назива ють клітинами Купффера), селезінки й лімфатичних вузлів (фолікулярні дендритні клітини), ЦНС (клітини мікроглії) і легень (альвеолярні макрофаги). Разом ці клітини складають систему мононуклеарних фагоцитів, також відому за своєю старішою (і неточною) назвою як ретикулоендотеліальна система. При запальній реакції із клітин-попередників у кіст ковому мозку утворюються моноцити, які надходять у кров, мігрують у різноманітні тканини і диференцію ються у макрофаги. Потрапляння моноцитів із крові в тканини регулюють ті самі чинники, що залучаються при міграції нейтрофілів, зокрема адгезивні молеку ли й хемокіни. Період напіврозпаду моноцитів крові дорівнює приблизно 1 добі, тоді як життєвий цикл тка нинних макрофагів становить кілька місяців або років. Отже, при запальних реакціях домінантною популяці єю клітин протягом перших 48 год часто стають макро фаги. Макрофаги, що локалізуються в тканинах (за відсутності ушкодження тканини або запалення), такі як мікроглія, клітини Купффера й альвеолярні макро фаги, утворюються в ранній ембріональний період, заселяють тканини, залишаються в тканинах на три валий час і поповнюються переважно за рахунок про ліферації резидентних клітин. Моноцит крові Активовані макрофаги при запаленні Макрофаги у шкірі, кишках Макрофаги, які знаходяться в ткани нах (клітини Купффера, альвеолярні макрофаги, мікроглія та ін.) Печінка Клітина-попередник у жовтковому мішку, печінці плода Моноцит Активований макрофаг Рис. 3 .1 8 . Д о зр ів а н н я о д н о я д е р н и х ф агоцитів: А - під час запальних реакцій більшість тканинних макрофагів утворюється із гемопоетич них попередників. Деякі макрофаги, які довгий час є резидентами в тканинах, утворюються з ембріональних попередників, наявних у тканинах на ранній стадії розвитку. Б - морфологія моноцита й активованого макрофага ГЛАВА 3 Запалення і репарація КЛАСИЧНО АКТИВОВАНИЙ МАКРОФАГ (М І) АЛЬТЕРНАТИВНО АКТИВОВАНИЙ МАКРОФАГ (М2) 11.-1о АФК, N0, лізосомальні ферменти І Мікробіцидна дія Фагоцитоз і кілінг бактерій та грибків ТСР-Р І М Д М Р , 11.-12, ІІ_-6, хемокіни І Протизапальні ефекти, репарація рани, фіброз Запалення Рис. 3 .1 9. К л а с и чн и й т а а л ьтер нативни й ш л я х а к т и в а ц ії м акр о ф агів. Різні подразники активують моноцити/макрофаги, щоб із них розвинулися функціонально чіткі популяції. Класично активовані макрофаги індукуються мікробними продуктами й цитокінами, осо бливо ІРМ-у. Вони фагоцитують і руйнують мікроби та некротичну тканину і здатні потенціювати запальні реакції. Альтернативно активо вані макрофаги індукуються іншими цитокінами й важливі при репара ції тканин і вщуханні запалення Існують два основні шляхи активації макрофа гів - класичний та альт ернат ивнійі (рис. 3.19). Який із цих шляхів обере конкретний макрофаг, залежить від природи активізувальних сигналів. • Класичний шлях може індукуватися мікробними продуктами, такими як ендотоксини, що залуча ють ТЬК та інші сенсори, і сигналами, отриманими від Т-лімфоцитів, особливо цитокіном ІРМ-у, при імунних відповідях. Класично активовані (їх також називають М І) макрофаги продукують N 0 й АФК і стимулюють дію лізосомальних ферментів; останні посилюють свою здатність знищувати фагоцитовані мікроорганізми, а також секретують цитокіни, які стимулюють запалення. Ці макрофаги важливі при захисті організму від мікробів та при багатьох запальних реакціях. • А льт ернат ивний шлях індукується іншими цито кінами, ніж ІРІчІ-у, зокрема ІЬ-4 і ІЬ-13, що про дукуються Т-лімфоцитами й іншими клітинами. Альтернативно активовані (М2) макрофаги не є мікробіцидними; їх основна функція полягає в репарації тканин. Вони секретують фактори росту, які сприяють ангіогенезу, активують фібробласти й стимулюють синтез колагену. Здається вірогідним те, що у відповідь на більшість шкідливих подразників першим шляхом активації є класичний, призначений для руйнування провоку вальних чинників, а після нього відбувається альтерна тивна активація, яка ініціює репарацію тканин. Однак для більшості запальних реакцій така послідовність не має чіткого експериментального підтвердження. Окрім того, хоча концепція макрофагів МІ і М2 дає корисну інформацію для розуміння неоднорідності цих клітин, уже описано інші численні субпопуляції, а підкласи МІ і М2 не є фіксованими. Продукти активованих макрофагів видаляють шкідливі чинники, зокрема мікроби, й ініціюють процес репарації, але вони також відповідають за ушкодження тканин при хронічному запаленні. Дві функції макрофагів є основними для розвитку та персистенції хронічного запалення й ушкодження тканин, яке його супроводжує. • Макрофаги секретують медіатори запалення, такі як цитокіни (ПЧГР, И-1, хемокіни тощо) й ейкозано'щи. Отже, макрофаги відіграють центральну роль в іні ціації та поширенні запальних реакцій. • Макрофаги виявляють антигени до Т-лімфоцитів і відповідають на сигнали від Т-клітин, у такий спосіб створюючи петлю зворотного зв'язку, який необхід ний для захисту від багатьох мікробів за допомогою опосередкованих клітинами імунних відповідей. Ці взаємодії описано далі при обговоренні ролі лім фоцитів у хронічному запаленні, а детальніше - у главі 5, де розглядається клітинний імунітет. Великий арсенал медіаторів робить макрофаги потужними компонентами захисту організму від неба жаних агентів, але та сама зброя здатна спричинити значне руйнування тканин, коли макрофаги акти вуються невідповідним шляхом або надмірно. Саме через таку діяльність макрофагів руйнування тканин є однією із характерних ознак хронічного запалення. У деяких випадках після видалення подразника макрофаги зникають (або гинуть, або по лімфатичних протоках потрапляють у лімфатичні вузли). Проте зазвичай накопичення макрофагів не припиняється внаслідок безперервної мобілізації із кровотоку і місце вої проліферації у вогнищі запалення. Роль лімфоцитів Мікроби та інші антигени з навколишнього середо вища активують Т- й В-лімфоцити, які посилюють і поширюють хронічне запалення. Хоча основна функція лімфоцитів - бути медіаторами набутого імунітету, який захищає від інфекційних патогенів (глава 5), їх часто виявляють при хронічному запален ні; якщо вони активовані, запалення характеризуєть ся стійкістю і тяжкістю. Від лімфоцитарної відповіді залежать деякі із найсильніших хронічних запаль них реакцій, зокрема гранульоматозне запалення (див. далі). Лімфоцити можуть бути домінантною популяцією в разі хронічного запалення, яке спосте рігається при аутоімунних та інших захворюваннях гіперчутливості. Унаслідок здатності секретувати цитокіни С 04+ Т-лімфоцити посилюють запалення і впливають на характер запальної реакції. Зазвичай вони значно посилюють ранню запальну реакцію, яка індукується розпізнаванням мікробів і мертвих клітин як частина природженої імунної відповіді. Існує три підкласи С 04+ Т-лімфоцитів, які секретують різні цитокіни та зумовлюють різні типи запалення: • ТМ-клітини подукують ІРМ-у, який активує макро фаги класичним шляхом; • Тіі2-клітини секретують ІЬ-4, ІЬ-5 і ІЬ-13, які мобі лізують й активують еозинофіли і відповідають за альтернативний шлях активації макрофагів; Хронічне запалення Т-лімфоцит Цитокіни (наприклад, И-12, И-б, И-23) Активований Т-лімфоцит (ТИ1, ТИ 17) Активований макрофаг ь. Мобілізація лейкоцитів, запалення Мобілізація лейкоцитів, запалення Класична активація макрофага запалення Макрофаг Рис. 3 .2 0 . Взаєм одія м а кр о ф а г-л ім ф о ц и т при х р о н іч н о м у з ап а л е н н і. Активовані Т-лімфоцити продукують цитокіни, які мобілізують макрофаги (ТИР, ІІ_-17, хемокіни), та інші медіатори запалення, що активують макрофаги (ІРМ-у). Активовані макрофаги своєю чергою стимулю ють Т-лімфоцити шляхом презентації антигенів і за допомогою цитокінів, зокрема И-12 • ТК17-клітини секретують ІЬ-17 та інші цитокіни, які індукують секрецію хемокінів, що відповідають за мобілізацію нейтрофілів у вогнище запалення. Як ТМ-, так і ТЬ17-клітини залучаються до захисту проти багатьох типів бактерій і вірусів та при аутоімунних хворобах. ТЬ2-клітини відіграють важливу роль у захисті проти гельмінтів і при алергійному запаленні (глава 5). Лімфоцити й макрофаги взаємодіють в обох напрям ках, і ці взаємодії мають важливе значення у поширенні хронічного запалення (рис. 3.20). Макрофаги вияв ляють антигени до Т-лімфоцитів, експресують моле кули мембран (їх називають костимуляторами), які активують Т-клітини, і продукують цитокіни (ІЬ-12 та ін.), що також стимулюють відповіді Т-клітин (глава 5). Активовані Т-лімфоцити своєю чергою синтезують описані раніше цитокіни, які мобілізують й активують макрофаги, сприяючи більшій презентації антигенів та секреції цитокінів. Результатом цього є цикл клітинних реакцій, які живлять енергією і підтримують хронічне запалення. У вогнищах хронічного запалення часто наявні активовані В-лімфоцити й плазматичні клітини, які продукують антитіла. Зазначені антитіла можуть бути специфічними для персистентних чужорідних чи влас них антигенів у вогнищі запалення або для змінених компонентів тканин. Однак специфічність і навіть важливість антитіл при більшості хронічних запальних реакцій ще не з'ясовано. При деяких із них накопичені лімфоцити, антигенопрезентувальні й плазматичні клітини скупчуються, щоб утворити лімфоїдні структури, які нагадують лім фатичні фолікули. їх називають третинними лімфоїдними органами; цей тип лімфоїдного органогенезу часто спостерігається в синовіальній оболонці в разі трива лого перебігу ревматоїдного артриту, у щитоподібній залозі при тиреоїдиті Гашімото і в слизовій оболонці шлунка за наявності НеІісоЬасіег руїогі. Припускають, що місцеве утворення лімфатичних фолікулів може зберігати імунну реакцію, але важливість цих структур ще не з'ясовано. Ін ш і кліт ини при хронічном у запаленні При хронічному запаленні, індукованому особливими агентами, можуть відзначатися інші типи клітин: • Еозиноф іли у великій кількості наявні при імун них реакціях, опосередкованих І§Е, і паразитарних інфекціях (рис. 3.21). їх мобілізацією керують адге зивні молекули, схожі на ті, які використовують нейтрофіли, і специфічні хемокіни (наприклад, еотаксин), що вивільняються з лейкоцитів й епіте ліальних клітин. Еозинофіли мають гранули, які містять основний білок - висококатіонний білок, що є токсичним для паразитів, але також ушкоджує епітеліальні клітини організму. Ось чому кількість еозинофілів визначають при паразитарних інфекці ях, хоча вони також зумовлюють ураження тканин при імунних реакціях, таких як алергія (глава 5). • Тучні кліт ини дуже поширені у сполучній ткани ні й беруть участь як у гострих, так і хронічних запальних реакціях. Ці клітини утворюються із попередників у кістковому мозку. Вони багато в чому схожі на базофіли (базофільні лейкоцити), але не походять від них, є резидентами в тканинах 'чГ * Рис. 3 .2 1 . е о зи н о ф іл и В о гн и щ е запал ення, яке ■■"»*>, щ / м іс ти ть чи сл ен ні 88 ГЛАВА 3 Запалення і репарація і тому при запальних реакціях відіграють важливі шу роль, ніж базофіли. Тучні клітини (й базофіли) експресують на своїй поверхні рецептор РсєКІ, який зв'язує Рс-фрагмент антитіла І§Е. При реак ціях гіперчутливості негайного типу І§Е, зв'язаний із Рс-рецепторами тучних клітин, специфічно розпізнає антиген, а клітини у відповідь дегранулюють та вивільнюють медіатори, такі як гістамін і простагландини (глава 5). Цей тип відповіді роз вивається під час алергійних реакцій на продукти харчування, отруту комах або лікарські засоби, інколи із фатальними наслідками (наприклад, анафілактичний шок). Тучні клітини також наявні при хронічному запаленні, оскільки вони секретують велику кількість цитокінів і можуть зумовлю вати запальну реакцію. • Хоча нейт роф іли характерні для гострого запа лення, при багатьох формах хронічного запален ня, які тривають місяцями, постійно виявляють велику кількість нейтрофілів, індукованих або мікробами, або цитокінами та іншими медіатора ми, що продукуються активованими макрофагами й Т-лімфоцитами. При хронічній бактеріальній інфекції кісток (остеомієліті) нейтрофільний ексудат може існувати багато місяців. Нейтрофіли також важливі при хронічному ураженні легень, індукованому тютюнокурінням та іншими подраз нювальними чинниками (глава 13). Запалення з такою морфологічною картиною називають гостріш на хронічному. Гранульоматозне запалення Гранульоматозне запалення - форма хронічного запалення, що характеризується накопиченням активованих макрофагів, часто із Т-лімфоцитами, й інколи асоційоване з центральним некрозом. В активованих макрофагах об'єм цитоплазми може бути надмірним; вони нагадують епітеліальні клітини і тому дістали назву епітеліоїдних клітин. Деякі акти вовані макрофаги можуть об'єднуватися, утворюючи багатоядерні гігантські клітини. Утворення гранульом є спробою клітин ізолювати той провокувальний чинник, який важко знищити. При цій спробі часто спостерігається сильна активація Т-лімфоцитів, яка зумовлює активацію макрофагів, що може спричинити ушкодження нормальних тканин. Існують два типи гранульом, які різняться за своїм патогенезом. • Імунні гранульом и утворюються внаслідок дії різноманітних чинників, які здатні індукувати персистентну імунну відповідь, опосередковану Т-клітинами. Вони утворюються зазвичай тоді, коли неможливо видалити провокувальний чинник, такий як персистентна інфекція або аутоантигени. У цьому разі макрофаги активують Т-клітини, щоб синтезувати цитокіни, зокрема ІЬ-2, який стимулює інші Т-клітини, зберігаючи імунну відповідь, та ІРГчГ-у, що активує макрофаги. • Гранульом и, зум овлені ст ороннім тілом, спостері гаються за наявності в тканинах відносно інертних сторонніх тіл без ознак імунної відповіді, опо середкованої Т-клітинами. Зазвичай гранульоми утворюються навколо таких матеріалів, як тальк (що пов'язано зі зловживанням ін'єкційними нар котиками), шовний матеріал або інші волокна, які достатньо великі, щоб бути захопленими макрофа гами, але не є імуногенними. Епітеліоїдні й гігант ські клітини прилягають до поверхні стороннього тіла. Зазвичай воно розміщене у центрі гранульоми, особливо під час обстеження в поляризованому світ лі, і може мати вигляд заломлювального. Щ М О РФ О ЛО ГІЯ У зв и ча й ни х зразках тканин, поф арбованих гематоксиліном й е о зи но м (рис. 3.22), активовані макроф аги у гранульомах мають рож еву гранульовану цитоплазм у з н е чітким и межа ми і називаються е п іт е л іо їд н и м и к л іт и н а м и . С купче нн я е п іте л іо їд н и х макроф агів о то че н і зо н о ю лімф оцитів. С таріш і гранульоми м ож уть мати о б ід о к із ф ібробластів і сполучної т ка н и н и . Часто, але не п о с тій н о , у гранульомах виявляють г іг а н т с ь к і к л іт и н и діаметром 4 0 -5 0 мкм із великою ц и т о плазм ою й багатьма ядрами; їх називають гіга нтським и клі тинам и Л ангханса. У гранульомах, а со ц ійо ва н их із певними м ікро о р га нізм а м и (тр а д и ц ій н о це МусоЬасІегіит іиЬегсиІозі^), часто утворю ється центральна зона некрозу. М а кр о ско п іч н о вона має вигляд си р н и с то ї маси і то м у називається к а з е о з н и м н е к р о з о м . М ік р о с ко п іч н о ці н е кр о ти ч н і тка н ини нагадую ть ам орф ний б е зстр уктур н и й еозиноф ільний грану льований п р о д укт розпаду із руйнуванням елементів клітин. Гранульоми при х в о р о б і К рона, саркоїдозі та реакціях на сто р о н н і тіла не схильні утворю вати центральну зо н у не крозу, і то м у їх називаю ть неказеозниии. Загоєння гранульом супр о во дж ується ф іброзом, я кий м ож е бути о б ш и рн им . Гранульоми трапляються при певних специфічних патологічних станах; розпізнавання гранульом важ ливе через обмежену кількість тих умов (деякі із них загрожують життю), які їх спричинюють (табл. 3.9). У разі персистентної відповіді на певні мікроби (наприклад, М. іиЬегсиїовіз, Тгеропета раПісіит або грибки) синтезовані Т-клітинами цитокіни відповіда ють за хронічну активацію макрофагів й утворення гранульом. Також їх виявляють при деяких запальних імуно-опосередкованих захворюваннях, особливо при хворобі Крона - запальній хворобі кишок, яка слугує важливою причиною гранульоматозного запалення у Рис. 3.22. Т и п о в а т уб е р ку л ь о зн а гранульом а. Видно ділянку центрального некрозу, оточену численними багатоядерними гігант ськими клітинами, епітеліоїдними клітинами й лімфоцитами Системні ефекти запалення США, і хворобі з невідомою етіологією під назвою саркоїдоз. Туберкульоз - типове гранульоматозне захво рювання, спричинене інфекцією, і це слід завжди мати на увазі під час диференціальної діагностики в разі виявлення гранульом. Таку гранульому нази вають туберкулом. Морфологічна картина при різно манітних гранульоматозних хворобах може достат ньою мірою відрізнятися, що дає змогу встановити обгрунтований точний діагноз (табл. 3.9), але завжди слід ідентифікувати специфічний етіологічний чин ник за допомогою спеціальних барвників (наприклад, барвники для фарбування кислотостійких бактерій для палички туберкульозу), методів культивування (зокрема при туберкульозі й грибкових захворюван нях), молекулярних методик (наприклад, полімеразна ланцюгова реакція при туберкульозі) і серологічних досліджень (зокрема при сифілісі). РЕЗЮ МЕ ХРОНІЧНЕ ЗАПАЛЕННЯ • Хронічне запалення - це тривала відповідь організму на стійкі подразники, яка може розвиватися після гострого за палення, що не завершилося, або бути хронічною із самого початку. • Його зумовлюють персистентні інфекції, імунні відповіді про ти аутоантигенів й антигенів із навколишнього середовища та деякі токсичні речовини (наприклад, кремнезем); воно лежить в основі багатьох важливих із погляду медицини за хворювань. • Хронічне запалення характеризується поєднанням запален ня, ушкодження тканин, спроб репарації шляхом рубцюван ня та імунної відповіді. • Клітинний інфільтрат складається із макрофагів, лімфоцитів, плазматичних клітин та інших лейкоцитів. • Воно опосередковане цитокінами, які продукуються макро фагами й лейкоцитами (особливо Т-лімфоцитами); двонаправлена взаємодія цих клітин здатна посилювати й продов жувати запальну реакцію. • Гранульоматозне запалення - специфічна морфологічна кар тина хронічного запалення, індукованого активацією Т-клітин і макрофагів у відповідь на патологічний агент, який чинить супротив своєму видаленню. Таблиця 3.9. СИСТЕМНІ ЕФЕКТИ ЗАПАЛЕННЯ Запалення, навіть якщо воно локалізоване, асоці юється з індукованими цитокінами системними реакціями, які разом називають гострофазовою відповіддю. Будь-яка людина, яка перенесла тяжку бактеріальну або вірусну хворобу (наприклад, пнев монію чи грип), зазнавала системних проявів гострого запалення. Ці зміни є реакціями на цитокіни, синтез яких стимулюють продукти розпаду бактерій (ЛПС), дволанцюгова РНК вірусу та інші запальні чинники. Цитокіни Т № , ІЬ-1 та ІЬ-6 - важливі медіатори гострофазової реакції, якій також сприяють інші цитокіни, особливо інтерферони І типу. Гострофазова відповідь складається із таких клініч них і патологічних змін: • Ж ар , який характеризується підвищенням темпе ратури тіла, зазвичай на 1-4 °С, є одним із найпо мітніших проявів гострофазової відповіді, особливо коли запалення зумовлене інфекцією. Речовини, що індукують жар, називають пірогенами. Підвищення температури тіла спричинюють простагландини, продуковані судинними і навколосудинними кліти нами гіпоталамуса. Продукти розпаду бактерій, такі як ЛПС (їх називають екзогенними пірогенами), сти мулюють лейкоцити вивільняти цитокіни, зокрема ІЬ-1 та ТИР (їх називають ендогенними пірогенами), що активують ферменти (зокрема ЦОГ), які пере творюють арахідонову кислоту на простагландини. У гіпоталамусі ці простагландини, особливо ПГЕ0, стимулюють синтез нейротрансмітерів, які встанов люють температуру тіла на вищий рівень. НПЗП, включаючи аспірин, зменшують жар шляхом при гнічення синтезу простагландинів. Яким чином жар сприяє захисній відповіді організму і чи сприяє він їй взагалі, залишається нез'ясованим. • Г о ст р оф азові білки - білки плазми крові, які син тезуються переважно в печінці; їх концентрація в плазмі може збільшуватися в декілька сотень разів як частина відповіді на запальні чинники. Трьома із найвідоміших гострофазових білків є С-реактивний білок (СРБ), фібриноген і сироватковий амілоїдний А (САА) білок. Синтез цих молекул у гепато- Приклади захворювань із гранульоматозним запаленням Хвороба Причина Реакція тканин Туберкульоз МусоЬасґегіит ґиЬегсиїозіз Казеозна гранульома (туберкул): вогнище активованих макрофагів (епітеліоїдних клітин), оточене фібробластами, лімфоцитами, гістіоцитами, одиничними гігантськими клітинами Лангханса; центральна зона некрозу з аморфними гранулярними продуктами розпаду; кислотостійкі бактерії Лепра МусоЬасґегіит Іергае Кислотостійкі бактерії в макрофагах; неказеозні гранульоми Сифіліс Тгеропета раїїісіит Гума: ураження варіює від мікроскопічних змін до макроскопічно вираженого процесу; центральна зона некрозу, оточена інфільтратом із плазматичних клітин і валом із макрофагів; збудники, які важко ідентифікувати в тканинах Хвороба котячої подряпини Грамнегативна бактерія Кругляста або зірчаста гранульома, що містить центральні гранулярні продукти розпаду й нейтрофіли, які можна розпізнати; гігантські клітини трапляються рідко Саркоїдоз Невідома Неказеозні гранульоми, багаті на активовані макрофаги Хвороба Крона (запальна хвороба кишок) Імунна реакція проти невизначених мікробів травного тракту і, можливо, аутоантигенів Одиничні неказеозні гранульоми у кишковій стінці, із вираженим хронічним запальним інфільтратом 89 ГЛАВА 3 Запалення і репарація цитах стимулюється цитокінами. Багато гострофазових білків, такі як СРБ і САА, зв'язуються з оболонкою мікробних клітин і можуть діяти як опсоніни й фіксувати компоненти системи комп лементу. Фібриноген зв'язується з еритроцитами, призводячи до утворення ними монетних стовпчи ків, які осідають швидше за окремі еритроцити. Це є основою для визначення швидкості осідання еритро цитів як простого тесту для діагностики запальної відповіді, спричиненої будь-яким подразником. Вплив гострофазових білків сприятливий під час гострого запалення, але тривалий їх синтез (особли во САА) при хронічному запаленні в деяких випад ках може зумовлювати вторинний амілоїдоз (глава 5). Підвищений рівень СРБ у сироватці крові слугує маркером підвищеного ризику інфаркту міокарда у пацієнтів з ІХС. Припускають, що запалення, до якого залучаються атеросклеротичні бляшки у він цевих артеріях, спричинює тромбоз із наступним інфарктом. Іншим пептидом, синтез якого посилю ється при гострофазовій відповіді, є пептид гепсидин, який регулює рівень заліза. Постійно підвищений рівень гепсидину знижує концентрацію заліза й від повідає за розвиток анемії, пов'язаної із хронічним запаленням (глава 12). Л ейкоцит оз - поширена характеристика запальних реакцій, особливо тих, які індуковані бактеріаль ними інфекціями. Кількість лейкоцитів зазвичай збільшується до 15 000-20 000 ютітин/мл, але інколи вона може сягати дуже високих рівнів: від 40 000 до 100 000 клітин/мл. Ці екстраординарні підвищення називають лейкемоїдними реакціями, тому що вони схожі (але мають від них відрізнятися) на реакцію лейкоцитів при лейкемії. Спочатку лейкоцитоз зумовлений прискореним вивільненням клітин із постмітотичного резервного пулу в кістковому мозку (спричиненого цитокінами, включаючи ТІМГ і ІЬ-1) і тому пов'язаний зі збільшенням кількості більш незрілих нейтрофілів у крові, яке називають зсувом лейкоцитарної формули вліво. Тривале інфі кування також індукує проліферацію клітин-попередників у кістковому мозку внаслідок надмірного продукування колонієстимулювальних факторів (КСФ). Отже, якщо запалення підтримується, поси люється вихід лейкоцитів із кісткового мозку; цей ефект зазвичай компенсує втрату зазначених клі тин при запальній реакції (див. також главу 12). Більшість бактеріальних інфекцій індукує зрос тання кількості нейтрофілів у крові (нейтрофільоз). Вірусні інфекції, такі як інфекційний мононуклеоз, епідемічний паротит і корова краснуха, спричи нюють абсолютне зростання кількості лейкоцитів (лімфоцитоз). При деяких алергіях і паразитарних інвазіях спостерігається збільшення кількості еози нофілів у крові (еозинофілія). Певні інфекції (черев ний тиф та інфекції, спричинені деякими вірусами, рикетсіями й окремими найпростішими) пов'язані зі зменшенням кількості циркулюючих лейкоцитів (лейкопенія). До інших проявів гострофазової відповіді належать: підвищення частоти серцевих скорочень й артері ального тиску; зменшення пітливості, переважно внаслідок зміни напрямку кровотоку від судин шкі ри до глибоких судин, щоб звести до мінімуму втра ту тепла через шкіру; дрижання (тремтіння), озноб (пошук тепла), анорексія, сонливість і нездужання, які може зумовлювати дія цитокінів на клітини головного мозку. При тяжких бактеріальних інфекціях (сепсисі) велика кількість бактерій та продуктів їх розпаду в кро ві стимулюють надмірне продукування кількох цито кінів, особливо ТІЧІР і ІЬ-1. Високий рівень цитокінів у крові спричинює системні клінічні й патологічні про яви, такі як ДВЗ-синдром, гіпотензивний шок і метабо лічні розлади, включаючи резистентність до інсуліну та гіперглікемію. Ця клінічна тріада відома як септичний шок (глава 4). Схожий на септичний шок синдром може розвиватися як ускладнення неінфекційних процесів, таких як тяжкі опіки, травма, панкреатит та ін. Разом усі ці реакції називають синдромом системної запальної відповіді. РЕЗЮ МЕ СИСТЕМНІ ЕФЕКТИ ЗАПАЛЕННЯ • Жар: цитокіни (ТІЧР, І Н ) стимулюють синтез простагланди нів у гіпоталамусі. • Продукування гострофазових білків: С-реактивного білка та ін.; синтез, стимульований цитокінами (ІІ.-6 та ін.), які діють на клітини печінки. • Лейкоцитоз: цитокіни (КСФ) стимулюють утворення лейко цитів із клітин-попередників у кістковому мозку. • При деяких тяжких інфекціях, септичному шоку: зниження артеріального тиску, ДВЗ-синдром, метаболічні розлади, ін дуковані високим рівнем ТІЧР та інших цитокінів. Далі ми розглянемо процес репарації, який є відпо віддю на руйнування тканин у результаті запалення або інших причин. РЕПАРАЦІЯ ТКАНИН Загальна характеристика репарації тканин Вирішальною для виживання організму є здатність до репарації вогнища ураження, спричиненого токси нами і запаленням. Насправді запальна відповідь на мікроби й ушкоджені тканини не тільки слугує для видалення цих чинників, а й ініціює процес репарації. Репарація ушкоджених тканин відбувається за допомогою двох типів реакцій - регенерації вна слідок проліферації залишкових (неушкоджених) клітин та дозрівання тканинних стовбурових клітин і розростання сполучної тканини для утворення рубця (рис. 3.23). • Регенерація. Деякі тканини здатні заміщати ураже ні компоненти й відновлювати нормальний стан; цей процес називають регенерацією. Вона передбачає проліферацію клітин, які зазнали ушкодження, але зберегли здатність регенерувати (наприклад у шкірі, кишковому епітелії, який швидко ділиться, і в деяких паренхіматозних органах, особливо печін ці). В інших випадках відновленню уражених тка нин можуть сприяти тканинні стовбурові клітини. Однак порівняно із нижчими тваринами, такими як Репарація тканин НОРМА і • '.Т .' » « фіброзу (рубцювання) у паренхіматозних органах як проявів репаративного процесу. Регенерація клітин і тканин І Незначне, поверхневе ушкодження ------------1 Тяжке ушкодження 1 » 1* Регенерація ушкоджених клітин і тканин включає проліферацію, яка регулюється факторами росту й дуже сильно залежить від цілості позаклітинного матриксу, та утворення зрілих клітин зі стовбурових клітин. Перед описом прикладів репарації шляхом регенерації ми обговоримо контрольні механізми про цесу проліферації. Загальні її принципи стисло викла дено у главі 1. П роліф ерація: сигнали і конт рольні механізми РЕГЕНЕРАЦІЯ т Рис. 3.23. М е х а н ізм и р е п а р а ц ії тка н и н : р е ге н е р а ц ія й у т в о р ення р уб ц я . Після незначного ушкодження, якщо уражується лише епітелій, нормалізація відбувається шляхом регенерації, після тяжчого ушкодження з ураженням сполучної тканини - шляхом утво рення рубця саламандри й риби, що можуть регенерувати цілі кінцівки або придатки, ссавці мають обмежену здат ність до регенерації тканин й органів і тільки деякі компоненти більшості тканин можуть відновлюва тися повністю. • Р озр ост ан н я сп олу ч н ої т канини (у т в о р е н н я р у б ц я ). Якщо ушкоджені тканини не здатні від новитися повністю або в разі значного ураження підтримувальних структур тканини репарація від бувається шляхом розростання сполучної (фіброз ної) тканини; цей процес може призвести до утво рення рубця. Хоча фіброзний рубець не є нормою, він надає достатньої структурної стійкості, щоб ушкоджена тканина була здатна функціонувати. Термін «фіброз» найчастіше застосовують для опи су значного відкладання колагену, що відбувається в легенях, печінці, нирках та інших органах уна слідок хронічного запалення або в міокарді після обширного ішемічного некрозу (інфаркту). Якщо фіброз розвивається у тканинному просторі, який містить запальний ексудат, таке явище називають організацією (як при організуючій пневмонії). Після багатьох звичайних типів ушкодження повній репарації різною мірою сприяють як регенерація, так й утворення рубця. Обидва процеси залучають проліфе рацію різноманітних клітин і тісну взаємодію клітин та ПКМ. Спочатку ми обговоримо загальні механізми проліферації та регенерації, потім - яскраво вираже ні ознаки регенерації й загоєння шляхом утворення рубця і завершимо описом загоєння рани на шкірі та Під час репарації проліферують декілька типів клітин. До них належать залишки ушкодженої тканини (які намагаються відновити нормальну структуру), клітини судинного ендотелію (щоб утворити нові судини, які постачають поживні речовини, необхідні для процесу репарації) та фібробласти (джерело сполучної ткани ни, яка утворює рубець для заповнення тих дефектів, що не можуть корегуватися регенерацією). Здатність тканин до відновлення частково зумов лена властивим їм проліферативним потенціалом. У деяких тканинах (інколи їх називають лабільними) клітини постійно руйнуються і мають заміщуватися новими клітинами, які утворюються зі стовбурових клітин і клітин-попередників, що швидко проліфе рують. До цих типів тканин належать гемопоетичні клітини кісткового мозку й клітини поверхневого епітелію, такого як базальний шар плоского епітелію шкіри, порожнини рота, піхви та шийки матки; кубіч ний епітелій протоків, що дренують екзокринні органи (наприклад, слинні залози, підшлункову залозу, жовчні шляхи); стовпчастий епітелій травного тракту, матки й маткових труб; перехідний епітелій сечових шляхів. Ці тканини здатні регенерувати після ушкодження, доки зберігається пул стовбурових клітин. Інші тканини (їх називають стабільними) складають ся із клітин, які за нормальних умов перебувають у фазі С0 клітинного циклу, отже, не проліферують, але здат ні ділитися у відповідь на ушкодження або зменшення кількості клітин. До таких тканин належить паренхіма більшості паренхіматозних органів - печінки, нирок і підшлункової залози. Бездіяльними за нормальних умов також залишаються ендотеліальні клітини, фібробласти і гладкі м'язові клітини, але вони здатні проліферувати у відповідь на дію факторів росту; ця реакція особливо важлива при загоєнні ран. Деякі тканини (їх називають перманентними) складаються з остаточно диференційованих непроліферативних клітин, таких як більшість нейронів і кардіоміоцитів. Ушкодження цих тканин необоротні й призводять до утворення рубця, тому що клітини не здатні регенерувати. Клітини скелетних м'язів зазви чай вважаються такими, що не діляться, але деякий регенеративний потенціал м'яза забезпечують сателітні клітини, прикріплені до ендомізію. Проліферацію регулюють сигнали, які надсилають фактори росту й ПКМ. Описано багато різних факто рів росту; деякі з них впливають на різні типи клітин, тоді як інші є специфічними для окремих типів клітин (глава 1). Як правило, фактори росту синтезують кліти- ГЛАВА 3 Запалення і репарація ни, розміщені біля вогнища ураження. Найважливіші джерела зазначених факторів росту - це макрофаги, які активуються внаслідок ураження тканин, але деякі із цих факторів також продукуються епітеліальними й стромальними клітинами. Декілька факторів росту зв'язуються із білками ПКМ і виявляються у вогнищі ушкодження у високих концентраціях. Усі фактори росту активують сигнальні шляхи, які зрештою індуку ють зміни в експресії генів; останні керують клітинами протягом клітинного циклу і підтримують біосинтез молекул й органел, необхідних для поділу клітин (гла ва 1). Окрім відповіді на дію факторів росту клітини використовують інтегрини, щоб зв'язатися із білками ПКМ, а сигнали від інтегринів теж здатні стимулювати проліферацію. У процесі регенерації проліферація залишкових клітин доповнюється утворенням зрілих клітин зі стовбурових клітин. У главі 1 викладено основні типи стовбурових клітин. Серед них найважливішими для регенерації після ушкодження у дорослих є тканин ні стовбурові клітини, розміщені у спеціалізованих нішах. Вважають, що в разі ушкодження у зазначених нішах виникають сигнали, які активують бездіяльні стовбурові клітини до проліферації та диференціації в зрілі клітини, які відновлюють свою популяцію в ушко дженій тканині. М еханізм и регенерації т канин Важливість регенерації при заміщенні ушкоджених тканин варіює залежно від типу тканини і тяжкості ушкодження. • В епітелії кишок і шкіри ушкоджені клітини швид ко заміщуються внаслідок проліферації залишкових клітин та диференціації тканинних стовбурових клітин, за умови цілості базальної мембрани, яка лежить під ними. Залишкові епітеліальні клітини продукують фактори росту, залучені до цих про цесів. Новоутворені клітини мігрують у вогнище ушкодження для заповнення дефекту, і цілість тка нин відновлюється (див. рис. 3.23). • Регенерація тканин може відбуватися в паренхі матозних органах, клітини яких здатні до про ліферації, але, за винятком печінки, цей процес зазвичай обмежений. Деякий регенеративний потенціал мають підшлункова залоза, надниркові залози, щитоподібна залоза й легені. Оперативне видалення нирки зумовлює компенсаторну від повідь у нирці, що залишилася; ця відповідь складається із гіпертрофії та гіперплазії клітин у проксимальних ниркових канальцях. Механізми, які лежать в основі такої відповіді, незрозумілі, але ймовірно, що вони індукують місцевий синтез фак торів росту і взаємодії клітин з ПКМ. Надзвичайна здатність печінки до регенерації зробила її цінною моделлю для вивчення цього процесу, як буде опи сано далі. Відновлення нормальної архітектоніки тканини можливе тільки тоді, коли структура залишкових клітин неушкоджена (наприклад, після часткової резекції печінки). І навпаки: якщо вся тканина інфі кована або має ознаки запалення, регенерація буде неповною і супроводжуватиметься рубцюванням. Наприклад, дифузне ураження печінки із колапсом ретикулярної строми, як це відбувається при абсце сі печінки, призводить до утворення рубця, навіть незважаючи на те, що залишкові клітини печінки здатні до регенерації. Регенерація печінки Печінка людини має виражену здатність регене рувати, про що свідчить її ріст після часткової гепатектомії, яку виконують із метою резекції пух лини або пересадження печінки від живого донора. Міфологічним прикладом регенерації печінки є від новлювання печінки у Прометея: кожного дня її поїдав орел, надісланий Зевсом як покарання за викрадення секрету вогню, і кожної ночі вона відновлювалася зно ву. Дійсність, хоча і менш драматична, усе-таки доволі вражаюча. Регенерація печінки відбувається за допомогою двох основних механізмів - проліферації тих гепа тоцитів, які залишилися, і відновлення популяції із клітин-попередників. Який із цих механізмів віді граватиме домінантну роль, залежить від характеру ушкодження. • П роліф ерація гепат оцит ів після ч аст к ов ої гепат ект ом ії. Після резекції до 90 % печінки регенерацію можна скорегувати шляхом проліферації залишко вих гепатоцитів. Цей процес регулюють цитокіни, зокрема 11,-6, синтезований клітинами Купффера, і фактори росту, такі як фактор росту гепатоцитів (ФРГ, НСР), що продукують багато типів клітин. • Р егенерац ія печінки із кліт ин-попередників. У тих ситуаціях, коли проліферативна здатність гепато цитів порушена, як це відбувається після хроніч ного ушкодження печінки або запалення, віднов ленню популяції сприяють клітини-попередники. У гризунів ці клітини назвали овальними клітинами через форму їхніх ядер. Деякі із них є резидентами у спеціалізованих нішах, які називають проміжними канальцями Герінга, де жовчні проточки з'єднуються із більшими жовчними протоками. Сигнали, які регулюють проліферацію клітин-попередників та їх диференціацію у зрілі гепатоцити, є предметом активних досліджень. ! РЕЗЮ МЕ РЕПАРАЦІЯ ШЛЯХОМ РЕГЕНЕРАЦІЇ Різні тканини складаються із клітин, які безперервно ділять ся (епітелій, гемопоетичні клітини), клітин, бездіяльних за нормальних умов, але здатних до проліферації (більшість паренхіматозних органів), і клітин, які не діляться (нейро ни, клітини скелетних м'язів, кардіоміоцити). Регенеративна здатність тканини залежить від проліферативного потенціа лу клітин, які входять до її складу. Проліферація клітин контролюється клітинним циклом і стимулюється факторами росту та взаємодією клітин із по заклітинним матриксом. Регенерація печінки - класичний приклад репарації шля хом регенерації. Вона активується цитокінами та фактора ми росту, які синтезуються у відповідь на зменшення маси печінки й запалення. У різних ситуаціях регенерація може відбуватися шляхом проліферації тих гепатоцитів, які зали шилися, або за допомогою клітин-попередників. Репарація тканин Репарація шляхом рубцювання Якщо репарація тільки за допомогою регенерації неможлива, вона здійснюється шляхом заміщення ушкоджених клітин сполучною тканиною з утво ренням рубця або внаслідок поєднання регенерації деяких залишкових клітин й утворення рубця. Як уже обговорювалося раніше, рубцювання можливе, якщо ушкодження тканин значне або хронічне і при зводить до ураження паренхіми й епітелію, а також каркасу сполучної тканини, або якщо ушкодження зазнали клітини, що не діляться. На відміну від реге нерації, яка забезпечує відновлення компонентів тканин, утворення рубця є відповіддю, що «ставить латки». Термін «рубець» найчастіше використовують у зв'язку із загоєнням ран на шкірі, але також може вживатися для опису заміщення паренхіми будь-яких органів колагеном, як це відбувається в серці після інфаркту міокарда. Е т апи ут ворення рубця Репарація шляхом заміщення сполучної тканини скла дається із послідовних етапів (рис. 3.24). • Протягом кількох хвилин після ушкодження із тромбоцитів утворюється гемостатична пробка (гла ва 4), яка зупиняє кровотечу і забезпечує каркас для інфільтраційних запальних клітин. • Запалення. Цей етап складається із типових гострих і хронічних запальних відповідей. Протягом наступ них 6-48 год продукти розпаду системи комплемен ту, виділені з активованих тромбоцитів хемокіни та інші медіатори, які продукуються у вогнищі ушкодження, функціонують як хемотаксичні чин ники для мобілізації нейтрофілів, а потім - і моно цитів. Як описувалося раніше, ці запальні клітини видаляють провокувальні чинники, такі як мікроби, що могли потрапити через рану, і знешкоджують продукти розпаду. Макрофаги є центральними «гравцями» у процесі репарації: макрофаги МІ знешкоджують мікроби та некротичні тканини і зумовлюють запалення із позитивним зворотним Загоєння ран шкіри можна поділити на дві групи загоєння первинним натягом, що стосується регенерації Опіковий струп Тромбоцит Фібробласт зв'язком, а макрофаги М2 продукують фактори росту, які стимулюють проліферацію багатьох типів клітин під час наступного етапу репарації. Як тільки шкідливі чинники і некротичні клітини зне шкоджено, запалення завершується; нині ще не до кінця зрозуміло, як у більшості ситуацій це запаль не полум'я гаситься. • П роліф ерація. Під час наступного етапу, який три ває до 10 днів, декілька типів клітин, включаючи епітеліальні, ендотеліальні й інші судинні клітини та фібробласти, проліферують і мігрують, щоб закрити очищену рану. Кожний тип клітин виконує унікальні функції: • епітеліальні клітини реагують на локально про дуковані фактори росту і мігрують над раною, щоб закрити її; • ендотеліальні й інші судинні клітини проліферу ють для утворення нових кровоносних судин; цей процес відомий як ангіогенез. З огляду на його важливість при фізіологічній відповіді організму й у багатьох патологічних умовах далі наведений детальний опис; * фібробласти проліферують і мігрують у вогнище ушкодження й утворюють колагенові волокна, з яких формується рубець; * поєднання проліферативних фібробластів, неоформленої сполучної тканини, нових крово носних судин і розосереджених клітин хроніч ного запалення утворює тип тканини, який є унікальним для рани, що загоюється, і називаєть ся грануляційною тканиною. Такий термін зумов лений наявністю рожевих, м'яких грануляцій, як це видно під струпом рани на шкірі. • Р ем оделю вання. Сполучна тканина, утворена фібробластами, реорганізується для формування стійкого фіброзного рубця. Цей процес починається через 2-3 тиж. після ушкодження і може тривати кілька місяців або років. Епітеліальні клітини Макрофаг Нейтрофіл Капіляр Грануляційна тканина Новоутворені кровоносні судини Колагеновий рубець В Рис. 3 .2 4 . Етапи р е п а р а ц ії ш л яхо м у тв о р ен н я р уб ц я . З а го є н н я в е л и ко ї р ан и ш к ір и в то р и н н и м н атя го м : А - гемостатична пробка і запалення. 6 - проліферація епітеліальних клітин; утворення грануляційної тканини шляхом ангіогенезу і проліферації фібробластів. В - ремоделювання для утворення фіброзного рубця 94 ГЛАВА 3 Запалення і репарація епітелію з мінімальним рубцюванням (як це відбува ється при хірургічних розрізах із гарним змиканням країв рани), і загоєння вторинним натягом, що стосу ється більших ран, які загоюються шляхом поєднання регенерації та рубцювання. Оскільки ті фундаменталь ні процеси, які залучаються до обох типів загоєння ран, являють собою безперервний перехід від регенерації до рубцювання, у нашому обговоренні ключових подій під час репарації тканин ми цього розмежування не робимо. Ангіогенез Ангіогенез - процес утворення нових кровоносних судин із тих, які вже існують. Він дуже важливий у вогнищі ушкодження, при розвитку колатерально го кровообігу в зоні ішемії і для того, щоб пухлини могли збільшуватися в розмірах поза межами свого первісного кровопостачання. Було проведено численні дослідження для розуміння механізмів ангіогенезу й розроблено методи лікування з метою активації цього процесу (наприклад, для поліпшення припливу крові до серця, ушкодженого коронарним атеросклерозом) або його пригнічення (щоб порушити ріст пухлини чи Бездіяльна судина Розширення судин (УЕСР) Авангардна («кінчикова») клітина (\/ЕСР, сигнали ІМоісН) Анпогенні фактори Перицит Базальна мембрана Ендотелій Відшарування перицитів (ангіопоетин) Деградація базальної мембрани (за допомогою ММП) Мобілізація перицитів Позаклітинний матрикс Збільшення довжини судинної ніжки Рис. 3 .2 5 . А н гіо г е н е з . При репарації тканин ангіогенез відбувається переважно шляхом проростання нових судин. Проілюстровано його етапи й основні фактори, які до цього залучаються. Новоутворена судина з’єднується з іншими судинами (не показано), щоб утворити нове судинне ложе. М М П - матриксні металопротеїнази; УЕСР - фак тор росту судинного ендотелію заблокувати патологічний ріст судин, як це відбуваєть ся при вологій макулодистрофії ока). Ангіогенез складається з таких етапів (рис. 3.25): • розширення судин у відповідь на N 0 і підвищення проникності, індукованої УЕСР; • відокремлення перицитів від зовнішньої (аблюмінальної) поверхні й розщеплення базальної мембра ни, щоб уможливити утворення судинного ростка; • міграція ендотеліальних клітин у вогнище ушкодження; • проліферація ендотеліальних клітин якраз за аван гардним фронтом («кінчиком») мігруючих клітин; • ремоделювання в капілярні трубки; • мобілізація періендотеліальних клітин (перици тів - для дрібних капілярів, і гладких м'язових клі тин - для більших судин) з метою утворення зрілої судини; • пригнічення ендотеліальної проліферації і міграції та утворення базальної мембрани. Вважають, що ендотеліальні клітини-попередники наявні в кістковому мозку й можуть мобілізуватися для сприяння утворенню нових судин. Однак ймовірно, що в ангіогенезі, пов'язаному із загоєнням більшості ран, ці клітини відіграють лише другорядну роль або взагалі не відіграють будь-якої ролі. Процес ангіогенезу залучає кілька сигнальних шля хів, міжклітинну взаємодію, білки ПКМ і ферменти тканин. • Ф а к т о р и р о с т у . УЕСР, переважно УЕСР-А (глава 1), стимулюють як міграцію, так і проліферацію ендо теліальних клітин, у такий спосіб ініціюючи процес проростання капілярів при ангіогенезі. Вони спри яють розширенню судин унаслідок стимуляції син тезу N 0 і роблять свій внесок в утворення просвіту судини. Фактори росту фібробластів (РСР), зазвичай РСР-2, стимулюють проліферацію ендотеліальних клітин. Вони також сприяють міграції макрофагів і фібробластів до ураженої ділянки й індукують міграцію епітеліальних клітин, щоб закривати епідермальні рани. Щойно утворені судини потре бують стабілізації шляхом мобілізації перицитів і гладких м'язових клітин та утворення сполучної тканини. Ймовірно, що у процесі стабілізації беруть участь численні фактори росту, включаючи РБСР і ТСР-р: РБСР мобілізує гладкі м'язові клітини, а ТСР-р пригнічує ендотеліальну проліферацію й міграцію та посилює синтез білків ПКМ. • С и г н а л із а ц ія К о ісН . Шляхом «переклику» із УЕСР сигнальний шлях ІМоісЬ регулює проростання й розгалуження нових судин, тим самим забезпечу ючи належний просторовий розподіл, щоб вони могли ефективно постачати кров до тканини, яка загоюється. • Б іл к и ПКМ беруть участь у процесі ангіогенезу переважно внаслідок взаємодії з інтегриновими рецепторами ендотеліальних клітин і забезпечення судин каркасом. • Ф е р м е н т и , особливо матриксні металопротеїнази, зумовлюють деградацію ПКМ, щоб уможливити ремоделювання та розтягнення судинної трубки. Підвищена проникність новоутворених судин пояснюється незавершеністю міжендотеліальних Репарація тканин з'єднань і тим, що її посилює УЕСР - фактор росту, який керує ангіогенезом. Ця негерметичність від повідає частково за набряк, який може спостеріга тися тривалий час після згасання гострої запальної відповіді. А кт ивація фібробластів т а ут ворення сполучної т канини Утворення сполучної тканини відбувається за два етапи: (1) міграція і проліферація фібробластів у вогнищі ушкодження та (2) відкладення білків ПКМ, які продукуються цими клітинами. Зазначені процеси регулюють локально синтезовані цитокіни й фактори росту, включаючи РБСР, РСР-2 і ТСР-р. Основними джерелами цих факторів є запальні кліти ни, особливо альтернативно активовані (М2) макрофа ги, які інфільтрують вогнище ушкодження. У відповідь на дію цитокінів та факторів росту фібробласти потрапляють у рану в напрямку від пери ферії до центру. Деякі з цих клітин можуть диференці ювати в клітини під назвою міофібробласти, які містять гладком'язовий актин, мають підвищену скоротливу здатність і призначені для закривання рани, стягуючи її краї до центру. Активовані фібробласти й міофібро бласти також підвищують свою здатність до синтезу і продукують сполучнотканинні білки, переважно колагени, які є основними компонентами рубця, що формується. ТСР-р - найважливіший цитокін для синтезу й накопичення сполучнотканинних білків. Його продукує більшість клітин у грануляційній тканині, включаючи альтернативно активовані макрофаги. Рівень ТСР-р у тканинах регулюється переважно не транскрипцією гена, а посттранскрипційною акти вацією латентного ТСР-р, інтенсивністю секреції активної молекули й факторами ПКМ, особливо інтегринами, які посилюють або ослаблюють актив ність ТСР-р. Окрім того, біонакопичення цього фактору регулюється мікрофібрилами, які містять фібрилін (глава 6). ТСР-р стимулює міграцію та про ліферацію фібробластів, активує синтез колагену й фібронектину та зменшує деградацію ПКМ шляхом пригнічення дії металопротеїназ. ТСР-Р залучається не тільки до утворення рубця після ушкодження, а й до розвитку фіброзу в легенях, печінці й нирках, який розвивається при хронічному запаленні. Також ТСР-р чинить протизапальну дію, яка забезпечує обмеження і згасання запальної відповіді, унаслідок пригнічення проліферації лімфоцитів й активності інших лейкоцитів. У процесі загоєння кількість проліферуючих фібро бластів і нових судин зменшується, але фібробласти стають більш здатними до синтезу, а отже, збільшуєть ся кількість колагену в ПКМ. Синтез колагену, зокрема, необхідний для того, щоб рана, яка загоюється, стала міцною і механічно стійкою. Синтез колагену фібро бластами починається на ранньому етапі загоєння рани (3-5-й день) і триває кілька тижнів залежно від її розмірів. Остаточна кількість залежить не тільки від посиленого синтезу, а й від зменшеної деградації кола гену (див. далі), у міру того як рубець зріє, відбувається регресія судин, яка врешті-решт перетворює сильно васкуляризовану грануляційну тканину на блідий і переважно безсудинний рубець. Ремоделювання сполучної тканини Рубець після утворення ремоделюється для збільшення його міцності й зменшення розміру. Міцність рани підвищується шляхом перехресного зв'язування колагену і збільшення розміру колагено вих волокон. Окрім того, змінюється тип відкладено го колагену: із колагену III типу на ранньому етапі репарації до більш еластичного колагену І типу. У добре зашитих ранах шкіри за 3 міс. міцність може відновитися до 70-80 % від нормальних значень. Закриття рани спочатку зумовлене міофібробластами, а пізніше - перехресним зв'язуванням колагено вих волокон. Згодом сполучна тканина деградує і рубець стя гується. Деградацію колагену та інших компонентів ПКМ здійснює сімейство матриксних металопротеїназ (ММП), які так називають через необхідність йонів металів (наприклад, цинку) для їх ферментатив ної діяльності. ММП продукують різні типи клітин (фібробласти, макрофаги, нейтрофіли, синовіальні клітини й деякі епітеліальні клітини), а їх синтез і секрецію регулюють фактори росту, цитокіни та інші фактори. До них належать інтерстиційні колагенази, які розщеплюють фібрилярний колаген (ММП-1, -2 і -3); желатинази (ММП-2 і -9), які зумовлюють деградацію аморфного колагену і фібронектину; стромелізини (ММП-3, -10 і -11), які розщеплюють різноманітні компоненти ПКМ, включаючи протео глікани, ламінін, фібронектин й аморфний кола ген. Деградацію ПКМ також можуть зумовлювати нейтрофільна еластаза, катепсин С, плазмін та інші серинові протеїнази, але вони менш важливі при ремоделюванні ран, ніж ММП. Окрім того, активова ні колагенази можуть швидко пригнічуватися специ фічними тканинними інгібіторами металопротеїназ (ТІМП), які продукує більшість мезенхімальних клі тин. Таким чином, рівновага ММП і ТІМП регулює розміри і характер рубця. М О Р Ф О Л О Г ІЯ • Г р а н у л я ц ій н а т к а н и н а характеризується проліферацією фібробластів і новими тонкостінними крихкими капілярами в неоформленому ПКМ, часто із домішкою запальних клітин, переважно макрофагів (рис. 3.26, А). Ця тканина прогресив но вростає у вогнище ушкодження; кількість утвореної грану ляційної тканини залежить від розмірів тканинного дефекту, утвореного раною, й інтенсивності запалення. • Р у б е ц ь , або ф іб р о з у тканинах, складається з майже пов ністю неактивних веретеноподібних фібробластів, щільного колагену, фрагментів еластичної тканини та інших компо нентів ПКМ (рис. 3.26, Б). Для ідентифікації різних білкових елементів рубця і фіброзних тканин патологи часто вико ристовують спеціальні барвники. Трихромний барвник ви являє колагенові волокна, а еластиновий ідентифікує крихкі волокна еластину, який є основним компонентом еластичної тканини. (Фактично трихром містить три барвники - звід си і його назва, - які забарвлюють еритроцити в оранжевий колір, м’язи - у червоний, а колаген - у синій.) Іншим білком ПКМ, який утворює сполучнотканинну строму нормальних органів і наявний у ранніх рубцях, є ретикулін, що містить колаген III типу й також може ідентифікуватися спеціальним барвником. 96 ГЛАВА 3 Запалення і репарація Рис. 3 .2 6 . Утв о р енн я сполучної ткан ин и: А - грануляційна тканина, яка демонструє численні кровоносні судини, набряк і неоформлений поза клітинний матрикс, що містить одиничні запальні клітини. Колаген забарвлений у синій колір трихромним барвником; тут можна побачити мінімальну кількість зрілого колагену. Б - зрілий рубець: видно щільний колаген (забарвлений у синій колір трихромним барвником) і розсіяні судинні канали РЕЗЮ МЕ РЕПАРАЦІЯ ШЛЯХОМ УТВОРЕННЯ РУБЦЯ • Якщо ушкоджена тканина не здатна регенерувати або якщо структурний каркас уражений і не може підтримувати реге нерацію, репарація відбувається шляхом утворення сполуч ної тканини із формуванням рубця. • Основними етапами репарації є утворення згустка, запален ня, ангіогенез та утворення грануляційної тканини, міграція і проліферація фібробластів, синтез колагену й ремоделюван ня сполучної тканини. • Макрофаги надзвичайно важливі для регуляції процесу репа рації внаслідок видалення провокувальних чинників і синтезу цитокінів та факторів росту, які стимулюють проліферацію типів клітин, залучених до репарації. • ТСР-р - потужний фіброгенний фактор; формування ПКМ залежить від рівноваги між фіброгенними факторами, матриксними металопротеїназами, які розщеплюють ПКМ, і тка нинними інгібіторами матриксних металопротеїназ. • • • • Чинники, які сповільнюють репарацію тканин Репарації тканин можуть перешкоджати різноманітні чинники, які знижують якість або відповідність репаративного процесу. Чинники, які сповільнюють заго єння, поділяють на зовнішні (наприклад, інфекція) та властиві ураженій тканині, системні й місцеві: • Інф екція - одна з найчастіших причин сповільне ного загоєння; вона подовжує запальний процес і потенційно посилює місцеве ушкодження тканин. • Ц укровий діабет - метаболічна хвороба, яка внаслі док багатьох причин ставить під загрозу репарацію тканин (глава 24) і є важливою системною причи ною аномального загоєння ран. • Х аракт ер харчування справляє виражений вплив на репарацію; наприклад, білкове голодування і дефіцит вітаміну С пригнічують синтез колагену та сповільнюють загоєння. • Г лю кокор т и коїди (ст ероїди) чинять підтверджену результатами лабораторних досліджень проти запальну дію, але внаслідок їх уживання можуть утворюватися слабкі рубці, тому що ці препарати • пригнічують продукування ТСР-р і зменшують фіброз. Однак у деяких випадках протизапальна дія глюкокортикоїдів є бажаною. Наприклад, при інфекційному ураженні рогівки їх можна призна чати (разом з антибіотиками) для зниження ризику помутніння внаслідок відкладення колагену. М еханічні чинники, такі як підвищений місцевий тиск або скручування, можуть спричиняти розход ження країв ран (зяяння). Н едост ат ня перф узія внаслідок або атеросклерозу і цукрового діабету, або недостатнього венозного дренування (наприклад, при варикозно розшире них венах), також сповільнює загоєння. С т оронні т іла, такі як фрагменти сталі, скла або кісткові відламки, затримують загоєння. Тип і площ а у ш к одж ен ої тканини також впливають на репарацію. Повне відновлення можливе тільки в тканинах, які складаються із клітин, здатних до про ліферації; але навіть і в цьому разі існує вірогідність того, що обширне ушкодження призведе до непов ної регенерації тканин і принаймні часткової втра ти функції. Ушкодження тканин, які складаються із клітин, що не діляться, неминуче спричинює руб цювання (наприклад, інфаркт міокарда). Л окалізація вогнищ а уш кодж ення і характер ураже ної тканини також важливі. Приміром, при запален ні, яке виникає в тканинних просторах (наприклад, плевральна, очеревинна, синовіальна порожнини), невеликі ексудати можуть поглинатися вдруге за допомогою протеолітичних ферментів лейкоцитів, у результаті чого запалення вщухає й відновлюється нормальна архітектоніка тканин. Однак якщо ексу дату дуже багато, щоб бути повністю поглинутим удруге, він зазнає організації - процесу, протягом якого грануляційна тканина проростає в ексудат із подальшим утворенням фіброзного рубця. Клінічні приклади аномального загоєння ран і рубцювання Сповільнення репарації тканин можуть спричинювати аномалії будь-якого з основних компонентів цього про цесу, включаючи неповноцінне формування рубця, Репарація тканин надмірне продукування компонентів репарації й утво рення контрактур. А еф ект и при загоєнні: хронічні рани Вони трапляються у численних клінічних ситуаціях унаслідок дії місцевих і системних чинників. Далі наве дено декілька поширених прикладів. • Варикозні виразки (рис. 3.27, А) найчастіше утворю ються в осіб похилого віку через хронічну венозну гіпертензію, яку може спричиняти виражений варикоз або застійна серцева недостатність. Зазвичай спостерігають відкладення пігменту, який містить залізо (гемосидерину), унаслідок руйнування ери троцитів, що може супроводжуватися хронічним запаленням. Ці виразки не загоюються через недо статнє постачання кисню в ділянці виразки. • Артеріальні виразки (рис. 3.27, Б) характерні для ате росклерозу периферичних артерій, особливо в разі поєднання із цукровим діабетом. Ішемія призво дить до атрофії, а потім - до некрозу шкіри і глибше розташованих тканин. Ці ушкодження можуть бути доволі болісними. • Пролежні (рис. 3.27, В) - ділянки виразкування шкіри й некрозу глибше розташованих тканин унаслідок тривалого їх притискання до кістки (наприклад, у прикутих до ліжка, нерухомих пацієнтів похилого віку із численними захворюваннями). Ці ушко дження спричинені механічним тиском і місцевою ішемією. • Діабетичні виразки (рис. 3.27, Г) уражують нижні кін цівки, особливо стопи. Некроз тканин і незагойні виразки є наслідком патології дрібних судин, що призводить до ішемії, нейропатії, системних метабо лічних розладів і вторинної інфекції. Мікроскопічна картина зазначених ушкоджень характеризується дефектом епітелію та виразками (рис. 3.27, Д) із великою кількістю грануляційної тканини в дермі, розміщеній під ними (рис. 3.27, Е). У деяких випадках незагоєння може спричиняти зяяння (розрив рани). Хоча не завжди, але найчасті ше це відбувається після порожнинних операцій і є наслідком підвищеного внутрішньочеревного тиску, наприклад, у разі блювання, кашлю або непрохідно сті кишок. Н адм ірне рубцю вання Надлишкове утворення компонентів процесу репа рації може спричиняти утворення гіпертрофічного рубця й келоїда. Надмірне накопичення колагену може призвести до формування гіпертрофічного рубця. Часто він швидко збільшується і містить надмірну кількість Рис. 3 .2 7 . Х р о н іч н і рани я к наслідок д е ф е ктів загоєнн я: А - Г - зовнішній вигляд виразок шкіри: А - варикозна виразка; Б - артеріальна виразка із більшим некрозом тканин; 6 - діабетична виразка; Г - пролежень. Д -Е - гістологічне зображення діабетичної виразки: Д - кратер виразки; £ - хронічне запалення і грануляційна тканина. (Зі статті 5.А. £т/п§, Р. Маг§іп, М. Тотіс-Сапіс: УУоі/пгі гераіг апсі ге§епегаііоп: тесЬапі$т$, 5І§па1іп§, апсі Сгапзіаііоп, 5сі ТгапзІ Мес) 6:265, 2014.) 98 ГЛАВА 3 Запалення і репарація міофібробластів, але схильний до регресії через кілька місяців (рис. 3.28, А). Зазвичай гіпертрофічний рубець виникає після термічного або травматичного ушкоджен ня із залученням глибоких шарів дерми. Якщо рубцева тканина утворюється поза межами первинної рани і не регресує, її називають келоїдом (рис. 3.28, Б). Вважають, що деякі пацієнти схильні до утворення келощів, особ ливо особи африканського походження. Гіперпластична грануляція - ще одне порушення заго єння ран, яке характеризується утворенням надмірної кількості грануляційної тканини, що підвищується над рівнем шкіри і блокує реепітелізацію (у літературних джерелах цей процес образно назвали диким м'ясом). Надмірну грануляцію слід видаляти шляхом припі кання або оперативного втручання, щоб уможливити відновлення цілості епітелію. Інколи операційні рубці або травматичні ушкодження можуть бути зумовлені вираженою проліферацією фібробластів та інших сполучнотканинних елементів, які фактично здатні рецидивувати після видалення. Маючи назву десмоїдів, або агресивних фіброматозів, ці утворення розміщені у сірій зоні доброякісних і злоякісних пухлин із низьким ступенем злоякісності. Стягування рани - важлива частина нормального процесу загоєння. Унаслідок надмірного скорочення м'язів утворюється контрактура, що призводить до деформацій у рані й прилеглих тканинах. Контрактури зазвичай виникають на долонях, підошвах та перед ній частині грудної клітки внаслідок тяжких опіків і можуть порушувати рухливість суглобів. Ф ібр о з у паренхім ат озних органах Термін «ф іброз» уживають для визначення надмір ного відкладення колагену та інших компонентів позаклітинного матриксу в тканині. Терміни «рубець» і «фіброз» можна вживати як взаємозамінні, але фіброз найчастіше свідчить про аномальне відкладення кола гену, яке відбувається у внутрішніх органах при хро нічних захворюваннях. Основні механізми фіброзу такі самі, як при утворенні рубця в шкірі під час репарації тканин. Фіброз - це патологічний процес, індукова ний стійкими провокувальними чинниками (напри клад, хронічні інфекції та імунні реакції) і зазвичай пов'язаний із руйнуванням тканин (рис. 3.29). Він може призводити до вираженої дисфункції органа і навіть його функціональної недостатності. Епітелій Ушкодження тканини, порушення цілості епітелію РЕГЕНЕРАЦІЯ Обмежене ушкодження Неодноразове або тяжке ушкодження Запалення Макрофаги Т-лімфоцити та інші лімфоїдні клітини Цитокіни (наприклад. Мобілізація і диферен ціація фібробластів ‘ Міофібробласти Позаклітинний матрикс ФІБРОЗ К л ін ічн і п р и кл а д и н а д м ір н о го р уб ц ю в ан н я й в ід кл ад ен н я кол агену: А - гіпертрофічний рубець. Б - келоїд. Б - мікроскопічне зображення келоїду. Зверніть увагу на товстий шар сполучної тканини в дермі. (А, Б - зі статті 5.А. Етіпц, Р. Маг§іп, М . Тотіс-Сапіс: \А/оипсІ гераіг апсі ге§епегаґюп: тесЬапі$т$, 5І£па1іп£, апсі Ігап$ІаІіоп, 5сі ТгапзІ Месі 6:265, 2014, р. 2.) Рис. 3 .2 8 . Рис. 3 .2 9 . М ех а н ізм и ф іброзу. Тривале ураження тканини призво дить до хронічного запалення і порушення її архітектоніки. Цитокіни, які синтезуються макрофагами й іншими лейкоцитами, стимулюють мігра цію і проліферацію міофібробластів, а також відкладення колагену та інших білків позаклітинного матриксу. Кінцевим результатом є заміщен ня нормальної тканини фіброзом. М М П - матриксні металопротеїнази Репарація тканин Як вже обговорювалося раніше, основним цитокіном у цьому процесі е ТСР-р. Механізми, які зумовлю ють підвищення його активності при фіброзі, точно невідомі, але вважають, що загибель клітин унаслідок некрозу або апоптозу й утворення АФК - важливі спус кові гачки, незалежно від типу тканини. Клітини, що синтезують колаген у відповідь на стимуляцію ТСР-р, можуть варіювати в різних типах тканин, у більшості органів, зокрема в легенях й нирках, основним дже релом колагену є міофібробласти, тоді як при цирозі печінки - це зірчасті клітини. До фібротичних розладів належать різнорідні хро нічні й виснажливі хвороби, такі як цироз печінки, сис темний склероз (склеродермія), фіброзувальні хвороби легень (ідіопатичний пневмосклероз, пневмоконіози й індукований лікарськими препаратами або йонізувальним випромінюванням пневмофіброз), термінальна стадія патології нирок і констриктивний перикардит. Зазначені стани обговорюються далі у відповідних гла вах. Оскільки при цих станах фіброз є основною при чиною захворюваності й смерті, існує великий інтерес до розроблення антифібротичних лікарських засобів. РЕЗЮ М Е ЗАГОЄННЯ РАН ШКІРИ І ПАТОЛОГІЧНІ АСПЕКТИ РЕПАРАЦІЇ • Основні фази загоєння ран шкіри - це запалення, утворення грануляційної тканини та ремоделювання ПКМ. • Рани шкіри можуть загоюватися первинним або вторинним натягом; загоювання вторинним натягом призводить до фор мування більш грубих рубців і стягування країв рани. • Загоєння ран може змінюватися внаслідок дії багатьох чин ників, особливо інфекції та цукрового діабету; тип, площа і локалізація вогнища ушкодження - важливі чинники, які впливають на процес загоєння. • Надмірний синтез компонентів ПКМ може спричиняти утво рення келоїду. • Тривала стимуляція синтезу колагену при хронічних запаль них хворобах призводить до фіброзу тканин, часто зі знач ним їх руйнуванням і порушенням функції. ГЛАВА 3 Запалення і репарація РЕК О М ЕН Д О В А Н А Л ІТ ЕРА Т У РА Аіііаіо К. ТЬе ІутрЬаІіс уазсиїаіиге іп сІізеазе/К. Аіііаіо // N81 Месі 17:1371-1380, 2011. [Відмінний огляд клітинної біології лімфатич них судин, їхніх функцій при імунних і запальних реакціях та їхньої ролі при запальних, неопластичних й інших хворобах.] Оеппк Е.А. Еісозапоісі з іо г т іп іпіесііоп апсі іп Я а тта їіо п / Е.А. Оеппіз, Р.С. Гчіоггіз // № і Кеу І т т и п о ї 15:511, 2015. [Огляд про- і протизапальної дії ейкозаноїдів.] ЕісовапоШ іп іп Я аттаїіо п : ЬіозупіЬезіз, рЬагтасоіоцу, апсі іЬегареиІіс ігопііегз / 5.Р. КЬапариге, 0 .5 . Сагуеу, О.К. ]апего еі аі. // Сигг Тор Месі СЬеш 7:311, 2007. [Резюме властивостей цього важливого класу медіаторів запалення.] Етіп$ 5.А. УУоипсі гераіг апсі ге§епегаІіоп: т е сЬ а п ізт з, зі£паііп§, апсі Ігапзіаііоп / З.А. Е тіп ^, Р. Магііп, М. Тотіс-Сапіс / / 5сі Тгапзі Месі 6:265г6, 2014. [Сучасний огляд реакцій організму, які сприяють репарації тканин.] РІаппа%ап К.5. ТЬе сеіі Ьіоіо§у ої рЬа§осуіозіз / К.5. Р1аппа§ап, V. Іаитоиіііе, 5. Сгіпзіеіп / / Апп Кеу РаіЬоІ МесЬ Оіз 7:61-98, 2012. [Сучасне обговорення залучених до фагоцитозу рецепторів, молекулярного контролю за цим процесом і біології та функцій фагосом.] СаЬау С. ІЬ-1 раїЬтоауз іп іп Я а тта їіо п апсі Ь и тап сіізеазез / С. СаЬау, С. ЬатассНіа, С. Р аїтег // N81 Кеу КЬеитаіоІ 6:232, 2010. [Відмінний огляд біології ІЬ-1 і терапевтичного таргетування цього цитокіну при запальних хворобах.] Н озі гезропзез іп Ііззие гераіг апсі ЯЬгозіз / .[.5. ОиІЯеісЗ, М. ЬирЬег, У.|. ТЬаппіскаі еі аі. // Апп Кеу РаіЬоІ Месії Оіз 8:241, 2013. [Огляд клітинних механізмів фіброзу з акцентуван ням на ролі імунної системи при фібротичних реакціях на хро нічні інфекції.] НиЬтасЬег О. Аріє ТЬе ЬіоІо§у оі ІЬе ехігасеііиіаг таїгіх : поуеі іпзідЬіз / О. Н иЬтасЬег / / Сигг Оріп КЬеитаіоі 25:65-70, 2013. [Стислий огляд структурних і біохімічних властивостей позаклі тинного матриксу.] КаІІіоІіаз С.О. ТОТ ЬіоІо§у, раіЬо§епіс т е с Ь а п ізт з апсі етег§іп § іЬегареиІіс зігаїе^іез / С .Ь . Каїііоііаз, Ь.В. ІуазЬкіу // N81 Кеу КЬеитаіоі 12:49, 2016. [Відмінний огляд ТМР та його сигнальних шляхів, методів розроблення і клінічної ефективності інгібіторів ТШ.] Коїасгкоговка Е. ІМеиІгорЬіі гесгиіітепі апсі Іипсііоп іп ЬеаііЬ апсі іп Я а тта їіо п / Е. Коїасгкоуузка, Р. КиЬез // N81 Кеу І т т и п о ї 13:159-175, 2013. [Відмінний огляд продукування, мобілізації, функ цій і долі нейтрофілів та їхньої ролі при різних типах запальних реакцій.] Корр ].і. З іе т сеіі уегзиз ріазіісііу іп і і у є г апсі рапегеаз гецепегаїіоп / ).Ь. Корр, М. С готр е, М. Запсіег // N81 Сеіі Віоі 18:238, 2016. [Відмінний огляд ролі паренхіматозних і стовбурових клітин у реге нерації органів.] Мауасіав Т.И. ТЬе тиііііасеїесі іипсііопз ої пеиІторЬііз / Т.М. Мауасіаз, X. Сиііеге, С.А. ЬошеИ //Апп Кеу РаЙюІ МесЬ Оіз 9:181, 2014. [Відмінний огляд біології нейтрофілів.] МсАпиІІу К.]. РіЬгоЬІазіз апсі туойЬгоЬіазІз: іЬеіг зоигсе, Іипсііоп, апсі гоіе іп сіізеазе / К Т МсАпиІІу // Іпі ] В іо сЬ ет Сеіі Віоі 39:666,2007. [Обговорення двох основних типів стромальних клітин та їхньої ролі в репарації тканин і фіброзі.] МаІЇїап С. Г'іопгезоіуіп^ іп Я а тта їіо п / С. № іЬап, А. Оіп§ // Сеіі 140:871, 2010. [Обговорення розладів, які призводять до хронічного запалення.] Окіп О. Еуоіиііоп о( іп Я аттаїо гу сіізеазез / О. Окіп, К. МесігЬіІоу // Сигг Віоі 22:К733-К740,2012. [Цікаве концептуальне обговорення рівноваги між високою потенційною вартістю та користю запальної відповіді й того, як цю рівновагу можуть порушити зміни в навко лишньому середовищі, що пояснює зв'язок між запаленням і багатьма хворобами сучасного світу.] Ра^е-МсСаиі А. Маїгіх теїаііоргоіеіпазез апсі ІЬе ге^иіаііоп о( Ііззие гетосіеііп^ / А. Ра§е-МсСа\у, А.|. Е\уаИ, 2 . УіегЬ / / N81 Кеу Мої Сеіі Віоі 8:221, 2007. [Огляд функції ферментів, які модифікують позаклітинний матрикс при репарації тканин.] Кесепі тоіесиїаг сіізсоуегіез іп ап§іо§епезіз апсі апІіап§іо§епіс іЬегаріез іп сапсег / І. Шеііі, 5. Ьо§ез, 5. О іт т е їе г еі аі. // ] Сііп Іпуезі 123:3190, 2013. [Огляд нових досягнень стосовно визначення факторів ангіогенезу і контролю за ним та розроблення методів ліку вання, спрямованих на цей процес.] Кіскііп О. С о т р іе т е п і іп і т т и п е апсі іп Я аттаїо гу сіізогсіегз / О. Кіскііп, ІО . Ь атЬгіз // ] Іт т и п о ї 190:3831-3838, 3839-3847, 2013. [Дві статті з біохімії та біології системи комплементу і розроблення терапевтичних засобів для зміни активності системи комплементу при патології.] Котіїо А. Ріигіроіепі з іе т сеііз: сиггепі ипсіег5Іапсііп§ апсі Іиіиге сіігесііопз / А. К о тіїо, С. СоЬеНіз / / 5 і е т Сеііз Іпі 2016. [ЕриЬ 2015] [Переконливе резюме ендогенних та індукованих плюрипотентних стовбурових клітин.] ЗсНтШ 5. ТЬе тоіесиїаг Ьазіз оі Іеикосуіе гесгиіітепі апсі ііз сіеЯсіепсіез / 5. ЗсЬтісії, М. Мозег, М. Зрегапсііо // Мої Іт т и п о ї 55:49-58, 2013. [Огляд механізмів мобілізації лейкоцитів і недостат ньої адгезії лейкоцитів.] 5іса А. МасгорЬа^е ріазіісііу апсі роїагігаїіоп: іп у і у о уегііаз / А. 5іса, А. Мапіоуапі / / ] Сііп Іпуезі 122:787-795,2012. [Відмінний огляд субпопуляцій макрофагів, їх продукування і ролі при запаленні, інфекціях, раку й метаболічних розладах.] ЗїаррепЬеск Т.5. ТЬе гоіе оі зіго таї з іе т сеііз іп Ііззие ге§епегаІіоп апсі тооипсі гераіг / Т.5. ЗіаррепЬеск, Н. МіуозЬі // Зсіепсе 324:1666, 2009. [Відмінний огляд ролі тканинних стовбурових клі тин при репарації.] ТІїе раіко%епезІ5 о{ зерзіз / О-І. Зіеагпз-Кигозатеа, М.Р. ОзисЬошзкі, С. Уаіепііпе еі аі. // Апп Кеу РаїЬої МесЬ Оіз 6:19, 2011. [Обговорення сучасних концепцій патогенних механізмів при сепсисі й септичному шоку.] ТІїе віегйе іп Я а тта їо гу гезропзе / К.Ь. Коск, Е. Ьаїх, Р. Опііуегоз еі аі. // Аппи Кеу І т т и п о ї 28:321-342,2010. [Відмінне обговорення того, як імунна система розпізнає некротичні клітини та інші неінфекційні шкідливі чинники.] ТНегару £ог ЯЬгоііс сіізеазез: пеагіп§ іЬе з1аг1іп§ Ііпе / БХ. Ргіесітап, О. ЗЬеррагсі, ].5. ОиЯіеІсІ еі аі. // Всі Тгапзі Месі 5:167зг1, 2013. [Відмінний огляд сучасних концепцій патогенезу фіброзу з акцен туванням на ролі різних клітинних популяцій і позаклітинного матриксу й потенціалі для трансформації основних знань з метою розроблення нових методів лікування.] 21оіпік А. ТЬе сЬетокіпе зирегіатіїу геуізіїесі / А. 21оІпік, О. УозЬіе // Іт т и п ііу 36:705-716, 2012. [Відмінна новітня інфор мація щодо класифікації, функцій і клінічної значущості хемокінів та їхніх рецепторів.] Г Л А В А Розлади гемодинаміки, тромбоемболія та шок ОСНОВНИМ ЗМІСТ Гіперемія і застій Набряк 102 101 Тромбоз Підвищення гідростатичного тиску Зниження осмотичного тиску плазми Лімфатична обструкція 104 Затримка натрію та води Кровотеча 105 Гемостаз і тромбоз Нормальний гемостаз 112 Повітряна емболія Інфаркт Синдром дисемінованого 104 103 103 Емболія інфаркту 116 Шок 116 Тромбоемболія легеневої артерії Системна тромбоемболія 105 105 Чинники, що впливають на розвиток внутрішньосудинного згортання (АВЗ-синдром) Жирова емболія 177 118 119 11 6 120 120 Патогенез септичного шоку Стадії шоку 121 123 7 77 Амніотична емболія Стан клітин і тканин залежить від циркуляції крові, яка доставляє кисень і поживні речовини та видаляє відхо ди, іцо утворюються внаслідок клітинного метаболізму. За нормальних умов, коли кров циркулює через капіля ри, білки плазми зберігаються всередині судин, і тільки невелика кількість води й електролітів виходить у тка нини. Цей баланс часто порушується при патологічних станах, які змінюють функцію ендотелію, підвищують судинний гідростатичний тиск або знижують рівень білка в шіазмі; усе це зумовлює набряк - накопичення рідини в тканинах у результаті виходу рідкої частини крові в позасудинний простір. Залежно від ступеня вираженості й локалізації набряки можуть мати міні мальні або тяжкі наслідки. Наприклад, набряк нижніх кінцівок, який розвивається унаслідок сидячої роботи, призводить до відчуття некомфортного взуття (мало го за розміром), тоді як при набряку легень рідина заповнює альвеоли і спричиняє небезпечну для життя гіпоксію. Структурна цілість кровоносних судин часто пору шується при травмі. Гем ост аз - це процес згортання крові, який запобігає надмірній кровотечі після ушко дження кровоносних судин. Неадекватний гемостаз може призвести до крововиливу, що порушує регі ональну перфузію тканин. Масивна кровотеча, яка швидко розвивається, може спричинити артеріальну гіпотензію, шок і смерть хворого. І навпаки, посилене згортання крові (тромбоз) або міграція згустків крові (емболія) можуть перешкоджати кровотоку і спричиня ти ішемічну загибель клітин (інфаркт). Тромбоемболія зумовлює три основні причини захворюваності та 118 смертності в розвинених країнах: інфаркт міокарда, тромбоемболію легеневої артерії і цереброваскулярну патологію (інсульт). З огляду на це ми починаємо обговорення розладів гемодинаміки із патологічних станів, які проявляються збільшенням об'єму крові у тканинах. ГІПЕРЕМІЯ І ЗАСТІЙ Як гіперемія, так і застій виникають при збільшенні об'єму крові всередині тканин, але вони мають різні механізми розвитку. Гіперем ія - це активний процес, що розвивається внаслідок розширення артеріол та збільшення пришіиву крові, наприклад, у вогнищі запалення або у скелетних м'язах під час виконання фізичних вправ. Гіперемовані тканини виглядають більш червоними, ніж звичайні, унаслідок наповнення судин оксигенованою кров'ю. Заст ій є пасивним про цесом, що спричинений порушенням відтоку венозної крові з тканини. Він може мати системний, як при серцевій недостатності, або локальний характер - як результат ізольованої непрохідності вен. Аномальний синьо-червоний колір (ціаноз) застійних тканин спри чинений накопиченням дезоксигенованого гемо глобіну у вогнищі ураження. При хронічному застої недостатня перфузія тканин і тривала гіпоксія можуть призводити до загибелі паренхіматозних клітин та вто ринного фіброзу, а підвищений внутрішньосудинний тиск зумовлює набряк або іноді слугує причиною роз риву капілярів й утворення локальних крововиливів. 102 ГЛАВА 4 Розлади гемодинаміки, тромбоемболія та шок НАБРЯК Із вологої поверхні розрізу тканин з ознаками гіперемії або застою, як правило, виділяється кров. Під час мікроскопічного дослідження г о с т р и й з а с т ій у л е г е н я х характеризується вираженим кровонаповненням альвеолярних капілярів та різ ного ступеня тяжкості набряком альвеолярних перегородок, а також інтраальвеолярними крововиливами. При х р о н іч н о м у з а с т о ї у л е г е н я х міжальвеолярні перегородки стовщу ються, склерозуються; у просвіті альвеол з’являються численні макрофаги, заповнені гемосидерином, як результат фагоцито зу еритроцитів (це так звані клітини серцевої недостатності). При г о с т р о м у в е н о з н о м у з а с т о ї в п е ч ін ц і центральні вени печінкових часточок та синусоїди переповнені кров’ю, також може розвиватися некроз центральних гепатоцитів. Перипортальні гепатоцити, які краще забезпечуються киснем через їхню близькість до печінкових артеріол, менше страж дають від гіпоксії, тому в них розвивається оборотна жирова дистрофія. При х р о н іч н о м у в е н о з н о м у з а с т о ї центр пе чінкової часточки має червоно-коричневе забарвлення, трохи западає (у результаті некрозу клітин) і виділяється на тлі жов то-коричневої тканини печінки, іноді з ознаками жирової дис трофії (мускатна печінка: рис. 4.1, А). Під час мікроскопічного дослідження виявляють центролобулярний некроз гепато цитів, крововиливи та макрофаги, заповнені гемосидерином (рис. 4.1, 6). Приблизно 60 % маси тіла становить вода; 2/3 цього об'єму міститься всередині клітин. Більша частина води, що залишилася, знаходиться в позаклітинних просто рах у вигляді інтерстиційної рідини; лише 5 % води в організмі входить до складу плазми крові. Як зазнача лося раніше, набряк - це накопичення інтерстиційної рідини в тканинах. Екстраваскулярна рідина також може скупчуватися в порожнинах тіла у вигляді випоту, наприклад, у плевральній порожнині (гідроторакс), перикардіальному мішку (гідроперикард) або черевній порожнині (гідроперитонеум, або асцит). Анасарка - тяж кий генералізований набряк підшкірної жирової клітко вини та скупчення рідини в порожнинах тіла. Нижче наведено основні причини набряку. Механізми запального набряку значною мірою пов'язані з підвищеною проникністю судин й обгово рюються у главі 3; незапальні причини описано далі. Рух рідини між судинним й інтерстиційним про сторами регулюється переважно двома протилежними силами - гідростатичним судинним тиском і колоїдноосмотичним тиском, який забезпечують білки плазми. У нормі відтік рідини з артеріального сегмента мікроциркуляторного русла приблизно збалансований при- П ричини набряку П ідви щ енн я гідростатичного тиску П оруш ення вен озн о го відт оку Хронічна серцева недостатність Констриктивний перикардит Асцит (цироз печінки) Обструкція або компресія вени Тромбоз Стискання судини (наприклад, пухлиною) Гіподинамія, при якій людина довго перебуває у положенні стоячи Р озш ирення а рт еріол Підвищення температури тіла Нейрогуморальні розлади Зниж ення осмотичного тиску плазми (гіпопротеїнемія) Гломерулопатії із втратою білка (нефротичний синдром) Цироз печінки (асцит) Нераціональне харчування (недоїдання) Гастроентеропатія із втратою білка Лімф атична обструкція Запалення Пухлини Післяопераційна Пострадіаційна Затрим ка натрію та води Надмірне захоплення натрію при нирковій недостатності Посилена реабсорбція натрію в ниркових канальцях Ниркова гіпоперфузія Посилена ангіотензин-альдостеронова секреція Рис. 4.1. Х р о н іч н и й в е н о зн и й застій п е ч ін ки і ге м о р а гіч н и й н екр о з: А - центр печінкової часточки має червоно-коричневий колір і трохи западає порівняно із прилеглою жовто-коричневою життєздатною паренхімою («мускатна печінка»; названа так через схожість із поверхнею розрізу мускатного горіха). Б - центролобуляр ний некроз гепатоцитів із крововиливами та розсіяними запальними клітинами. (Надано Ог. ]. Сгам(огс].) Запалення Гостре запалення Хронічне запалення Ангіогенез Дон/ А. іеа[, К.5. Соггап: Кепаі раїЬорНузіоІо^у, ед 3, Меш Уогк. 1985, Ох(опІ ііпіуегзіїу Рге55, р. 146. Набряк ЛІМФАТИЧНА СИСТЕМА Артеріальний сегмент У грудну протоку і далі КАПІЛЯРНЕ РУСЛО Венозний сегмент Рис. 4.2. Ч и н н и к и , щ о впливають на р ух р ід и н и ч е р е з стінки капілярів. Капілярні гідростатичні й осмотичні сили зазвичай врів новажені так, щоб вихід рідини в інтерстицій був незначним. Однак підвищений гідростатичний тиск або ослаблений осмотичний тиск плазми призводять до позасудинного накопичення рідини (набряк). Лімфатична система тканин повертає більшу частину надлишкової ріди ни назад у кровоносне русло за допомогою грудної протоки; але якщо активність лімфатичного дренажу надмірна, виникає набряк тканин ішивом її у венозний сегмент; тільки невелика кількість рідини може залишитися в інтерстиції і дренуватися по лімфатичних судинах. До збільшення кількості інтерстиційної рідини може призвести або підвищен ня гідростатичного тиску в капілярах, або зниження колоїдно-осмотичного тиску плазми (рис. 4.2). Це сво єю чергою підвищує гідростатичний тиск тканини, у результаті чого досягається нова рівновага. Надмірна кількість набрякової рідини видаляється по лімфатич них дренажах і повертається у кровоток через грудну протоку (див. рис. 4.2). Набрякова рідина, що утворилася в результаті підвищення гідростатичного або колоїдно-осмотичного тиску, містить невелику кількість білків і нази вається транссудатом. На відміну від нього набрякова рідина, що утворилася в результаті підвищеної про никності судин при запаленні, містить багато білків і називається ексудатом. Відносна густина транссудату < 1,012, а ексудату > 1,020; у клініці ці показники не використовують. Далі ми обговоримо різні причини набряку. ників підвищують венозний гідростатичний тиск у пацієнтів із застійною серцевою недостатністю (див. рис. 4.3). Зменшення серцевого викиду призводить до системного венозного застою і підвищення капіляр ного гідростатичного тиску; водночас воно зумовлює гіпоперфузію нирок, активує ренін-ангіотензин-альдостеронову систему (РААС), що спричинює затрим ку натрію та води (вторинний гіперальдостеронізм). У пацієнтів із нормальною функцією серця цей адап тивний механізм збільшує наповнення серця і серце вий викид, тим самим поліпшуючи перфузію нирок. Однак при серцевій недостатності збільшення серце вого викиду у відповідь на компенсаційне збільшення об'єму крові часто є неможливим. Замість цього фор мується порочне коло - затримка рідини призводить до підвищення венозного гідростатичного тиску, що проявляється посиленням набряку. Якщо не віднов люється серцевий викид або не поліпшується функція нирок (наприклад, за допомогою обмеження солі або лікування діуретиками чи антагоністами альдостеро ну), це порочне коло посилюється. Оскільки вторин ний гіперальдостеронізм зазвичай супроводжує роз виток генералізованого набряку, при лікуванні такої патології, спричиненої несерцевою недостатністю, обмежують кількість солі в раціоні хворого, застосову ють діуретики й антагоністи альдостерону. Зниження осмотичного тиску плазми Зменшення концентрації альбуміну в плазмі крові призводить до зниження колоїдного осмотичного тиску та виведення рідкої частини крові із крово обігу. У нормі альбумін становить майже 50 % усіх білків плазми. Якщо альбумін виходить із кровообігу або синтезується в недостатній кількості, це спричиняє зниження осмотичного тиску плазми. Нефротичний синдром є найважливішою причиною виходу альбуміну із крові. При хворобах, що характеризуються нефротичним синдромом (глава 14), у капілярах ниркових клубочків підвищується проникність для альбуміну (та інших білків плазми, які виводяться із сечею) і розви- Підвищення гідростатичного тиску Зростання гідростатичного тиску зазвичай спри чинене порушенням венозного відтоку. Місцеве підвищення внутрішньосудинного тиску, зокрема зумовлене тромбозом глибоких вен нижньої кінцівки, може призвести до набряку, обмеженого дистальним відділом ураженої кінцівки. Системне підвищення венозного тиску може спричинити генералізований набряк, що часто виникає при хронічній (застійній) серцевій недостатності (глава 11). На рис. 4.3 зобра жені механізми блокування, що лежать в основі генералізованого набряку в результаті серцевої, ниркової та печінкової недостатності. Кілька чин Рис. 4.3. М е х а н із м и , щ о п р и зв о д я ть д о ге н е р а л ізо в а н о го н а б р я к у внаслідок с е р ц е в о ї н е д о с та тн о с ті, н и р к о в о ї н е д о статно сті а бо з н и ж е н н я о см о т и ч н о го т и с к у плазм и крові 103 104 ГЛАВА 4 Розлади гемодинаміки, тромбоемболія та шок вається генералізований набряк. Недостатній синтез альбуміну спостерігається при тяжких захворюваннях печінки (наприклад, цирозі печінки; глава 16) та біл ковому голодуванні (глава 8). Незалежно від причини низький рівень альбумінів у плазмі крові поступово призводить до зменшення внутрішньосудинного об'єму, ниркової гіпоперфузії та вторинного гіперальдостеронізму. На жаль, затримка натрію і води нирками не може скорегувати дефіцит об'єму плазми, оскільки існує первинний дефіцит білка сироватки крові, тому, навпаки, лише посилює набряк. Лімфатична обструкція Набряк може бути результатом лімфатичної обструкції, що ускладнює резорбцію рідини з інтерстиційного простору. Порушення лімфатичного дренажу і, як наслідок, лімфедема зазвичай є резуль татом локальної обструкції, зумовленої запальними або неопластичними процесами. Наприклад, парази тарна інфекція філяріоз може спричинити виражений набряк нижньої кінцівки та зовнішніх статевих органів (так звана слоновість) унаслідок фіброзу пахвинних лім фатичних вузлів і лімфатичних судин. Інфільтрація та обструкція поверхневих лімфатичних судин при раку грудної залози призводить до набряку поверхневих шарів шкіри; при цьому формується одна із характер них ознак раку грудей, яка називається реаи й'огап%е (цитринова шкірка). Лімфедема також може виникати як ускладнення терапії. Наприклад, при раку грудної залози часто розвивається виражений набряк верхньої кінцівки після резекції пахвових лімфатичних вузлів і/ або опромінення, оскільки ці методи лікування пору шують та перешкоджають дренуванню лімфи. Затримка натрію та води Надмірна затримка натрію обов'язково супроводжу ється затримкою води й може призвести до набряку, спричиненого підвищеним гідростатичним тиском (як результат збільшення внутрішньосудинного об'єму) і зниженим осмотичним тиском плазми. Надмірна затримка натрію та води спостерігається при бага тьох хворобах, для яких характерне ураження нирок, наприклад, постстрептококовому гломерулонефриті й гострій нирковій недостатності (глава 14). М О Р Ф О Л О Г ІЯ Набряк легко розпізнати під час огляду. Мікроскопічне до слідження виявляє розширення та просвітлення позаклітин ного матриксу (ПКМ). Незважаючи на те що набряк може виникати в різних тканинах організму, найчастіше він розви вається в підшкірній жировій клітковині, легенях і головному мозку. П ід ш к ір н и й н а б р я к може бути дифузним, але за звичай набрякова рідина скупчується в частинах тіла, роз міщених на найбільшій відстані від серця, де гідростатич ний тиск найвищий. Так, набряк переважно виникає на нижніх кінцівках, що зумовлено вертикальним положен ням тіла, тоді як набряк крижів - лежачим положенням хворого; це так званий залежний набряк. Якщо при на тискуванні пальцем на набряклу тканину міжклітинна ріди на витісняється і залишається ділянка втиснення, цей вид набряку називають точковим набряком. Набряк, який розви вається в результаті н и р к о в о ї д и с ф у н к ц ії або н е ф р о т и ч н о г о с и н д р о м у , насамперед з’являється в тканинах, що мають слабкий сполучнотканинний каркас (наприклад, набряк повік і періорбітальний набряк). При н а б р я к у л е ге н ь їхня маса збільшується в 2—3 рази, із поверхні розрізу стікає піниста, часто кров'яниста рідина, яка складається із суміші повітря, на брякової рідини та екстраваскулярних еритроцитів. Н а б р я к го л о в н о г о м о з к у (глава 23) може бути локалізованим (на приклад, при абсцесі, пухлині) або генералізованим, залежно від характеру і ступеня патологічного процесу чи травми. При генералізованому набряку головного мозку його борозни зву жені, звивини згладжені, а також наявні ознаки компресії по верхні, прилеглої до черепа. К л ін ічн і особл ивості Значення набряку для організму варіює від просто го подразнення до швидкого фатального перебігу. Підшкірний набряк важливо розпізнати насампе ред тому, що він свідчить про захворювання серця чи нирок; окрім того, значний набряк сповільнює загоєння ран й очищення їх від інфекційних аген тів. Набряк легень часто трапляється у клінічній практиці. Найчастіше цей стан спостерігається при лівошлуночковій недостатності, але також може виникати при нирковій недостатності, гострому респіраторному дистрес-синдромі (глава 11), запаль ній та інфекційній патології легень. Він може бути причиною смерті внаслідок порушення нормальної вентиляції легень; скупчення набрякової рідини в просвіті альвеол не тільки перешкоджає дифузії кис ню, а й створює сприятливе середовище для розвитку інфекцій. Набряк мозку є небезпечним для життя; якщо набряк виражений (тяжкий), головний мозок може вклинитися у великий потиличний отвір. Підвищення внутрішньочерепного тиску спричинює компресію кровоносних судин стовбура мозку; це є смертельно небезпечним через ушкодження центрів, що контролюють дихання та інші життєво важливі функції (глава 23). РЕЗЮ М Е • Набряк виникає внаслідок виходу рідини із судин в інтерстиційний простір; уміст білків може бути малим (транс судат) або великим (ексудат). • Набряк може бути спричинений: • підвищеним гідростатичним тиском (наприклад, при серцевій недостатності); • підвищеною проникністю судин (наприклад, при запа ленні); • зниженням колоїдно-осмотичного тиску плазми в ре зультаті зниження рівня альбуміну в плазмі; • недостатнім синтезом альбуміну (наприклад, при захво рюваннях печінки, білковому голодуванні); • посиленим виходом альбумінів (наприклад, при нефротичному синдромі); • лімфатичною обструкцією (наприклад, при запаленні або неоплазії); • затримкою натрію (наприклад, при нирковій недостат ності). Гемостаз і тромбоз КРОВОТЕЧА Кровотеча - вихід крові із судин - найчастіше спри чинюється ушкодженням кровоносних судин та порушенням згортання крові. Як описано раніше, капілярна кровотеча може виникати при хронічному венозному застої. Травма, атеросклероз, запальні й неопластичні процеси можуть стати причиною ерозії судинної стінки, іцо призведе до кровотечі, яка може бути масивною, якщо ушкоджена велика вена або артерія. Ризик кровотечі (зазвичай із незначним ушкоджен ням) посилюється при патологічних станах, які назива ють геморагічними діатезами. Причини цієї патології різ номанітні, у тому числі природжені чи набуті дефекти судинної стінки, тромбоцитів або факторів згортання крові, оскільки всі вони мають гармонічно функціону вати, щоб забезпечити нормальний гомеостаз (глава 5). У цій главі увагу акцентовано на клінічних особливос тях крововиливів, незалежно від їх причини. Крововиливи різняться як за морфологією, так і за клінічними наслідками. • Кровотеча може бути зовнішньою або із накопичен ням крові в тканині (гемат ома). Значення гемато ми для організму може варіювати від мінімального (наприклад, синяк) до летального (наприклад, масивна ретроперитонеальна гематома, що виникає в результаті розшарування аорти та її розриву; гла ва 10). Назва масивної кровотечі в порожнини тіла залежить від локалізації - гемоторакс, гемоперикард, гемоперитонеум та гемартроз (кровотеча у суглоби). Масивна кровотеча іноді може призводити до жов тяниці внаслідок вираженого руйнування еритро цитів і гемоглобіну. • П ет ехії - дрібні, цяткові крововиливи (діаметром 1-2 мм) у шкіру, слизові або серозні оболонки (рис. 4.4, А). їх причинами слугують зменшення кількості тромбоцитів (тромбоцитопенія), пору шення функції тромбоцитів, а також підвищення проникності судинної стінки, наприклад при дефі циті вітаміну С (глава 8). • П урпура - трохи більші крововиливи (діаметром 3-5 мм). Пурпура виникає при тих самих захворю ваннях, що і петехії, а також унаслідок травми, запа лення судин (васкуліт) або підвищеної їх ламкості. • Екхімози - великі за розміром (1-2 см) підшкірні гематоми (так звані синці). Екстраваскулярні ерит роцити захоплюються макрофагами і руйнуються; характерне забарвлення цієї гематоми зумовлене ферментативним розщепленням гемоглобіну (чер воно-синього кольору) та перетворенням його на білірубін (синьо-зеленого кольору), а потім - на гемосидерин (золотисто-коричневого кольору). Клінічні наслідки кровотечі залежать від об'єму й інтенсивності крововтрати. Швидка крововтрата до 20 % об'єму циркулюючої крові або повільна втрата навіть більшого об'єму крові незначно впливає на стан дорослої людини, тоді як масивніша крововтрата може спричинити гіповолемічний шок (див. далі). Ділянка кровотечі теж важлива. Наприклад, кровотеча в під шкірну тканину не призводить до тяжких наслідків, але може стати причиною смерті хворого, якщо лока- Рис. 4 .4 . Т и п и крововиливів: А — цяткові крововиливи (петехії) у слизовій оболонці товстої кишки внаслідок тромбоцитопенії. Б фатальний внутрішньомозковий крововилив лізується в головному мозку (рис. 4.4, Б). Хронічна або рецидивна зовнішня кровотеча (наприклад, при пептичній виразці чи менструації) призводить до втрати заліза в гемоглобіні та залізодефіцитної анемії. Навпаки, залізо із фагоцитованих еритроцитів ефек тивно використовується для синтезу гемоглобіну, тому внутрішня кровотеча (наприклад, гематома) не при зводить до дефіциту заліза. ГЕМОСТАЗ І ТРОМБОЗ Нормальний гемостаз - це серія регульованих про цесів, які завершуються формуванням згустків кро ві, що зупиняють кровотечу з ушкоджених судин. Патологічним аналогом гемостазу є тромбоз - утворен ня згустків крові (тромбу) у нетравмованих, інтактних судинах. Отже, дискусія починається з нормального гемостазу та його регуляції, після чого обговорюються причини і наслідки тромбозу. Нормальний гемостаз Гемостаз - організований процес, в якому задіяні тромбоцити, фактори згортання крові та ендотелій судин. Цей процес відбувається в місці ушкодження судини і закінчується утворенням згустків крові, які запобігають кровотечі або зменшують крововтрату. 105 ГЛАВА 4 А Розлади гемодинаміки, тромбоемболія та шок ВАЗОКОНСТРИКЦІЯ Гладка м язова клітина Виділення ендотеліну Рефлекторна зумовлює вазоконстрикція вазоконстрикцію Позаклітинний матрикс (колаген) Б АКТИВАЦІЯ ТА АГРЕГАЦІЯ ТРОМБОЦИТІВ @ Зміна форми тром@ Мобілізація боцитів \ (з) Вивільнення гранул /тромбоцитів (7) Адгезія тромбо- \ (ЛДФ. ТХА2) / цитів \ \ І 3 Агрегація Фактор фон \ \ Ч (гемостатична % Віллєбранда V ч \ _ £- ■■■ (5) пробка) Ендотелій Базальна мембрана Колаген В АКТИВАЦІЯ ФАКТОРІВ ЗГОРТАННЯ ТА ПОЛІМЕРИЗАЦІЯ ФІБРИНУ (5) Експресія фосфо- ліпідного комплексу (?) Активація тромбіну V, (?) Полімеризація фібрину ©Тканинний ф а к т о р \ д \ А Тканинний фактор Фібрин Г РЕЗОРБЦІЯ ЗГУСТКА Експресія: • 1-РА (продукту фібринолізу) • тромбомодуліну (обмежують коагуляційний каскад) Захоплені нейтрофіли Рис. 4.5. Н орм альний гемостаз: А - Захоплені еритроцити Полімеризований фібрин після травми судин місцеві нейрогуморальні фактори зумовлюють тимчасову вазоконстрикцію. Б тромбоцити прилипають за допомогою рецепторів СрІЬ до оголеного позаклітинного матриксу, зв’язуючись із фактором фон Віллєбранда, й активуються, змінюючи свою форму та вивільняючи секреторні гранули. Вивільнені аденозиндифосфат (АДФ) і тромбоксан А^ (ТХА^) зумовлю ють подальшу агрегацію тромбоцитів за допомогою зв’язування рецеп торів тромбоцитів СрІІЬ/ІІІа та фібриногену із формуванням первинної гемостатичної пробки, б - локальна активація коагуляційного каскаду (що включає тканинний фактор і фосфоліпіди тромбоцитів) призво дить до полімеризації фібрину, «цементуючи» тромбоцити у вторинну гемостатичну пробку. Г - механізми зворотного зв’язку, опосередковані тканинним активатором плазміногену (ї-РА, продукт фібринолізу) і тромбомодуліном, обмежують процес згортання крові у травмованій ділянці Загальна послідовність подій, які забезпечують гемо стаз при травмі судинної стінки, показана на рис. 4.5. • В а з о к о н с т р и к ц ія а р т е р іо л відбувається негай но і помітно зменшує приплив крові до поране ної ділянки (рис. 4.5, А). Вона опосередкована рефлекторними нейрогенними механізмами і посилюється внаслідок локальної секреції таких факторів, як ендотелій - потужний вазоконстриктор, що синтезується ендотелієм. Однак цей ефект є тимчасовим, і кровотеча відновиться, якщо не відбудеться активація тромбоцитів та факторів згортання. • П е р в и н н и й г е м о с т а з : р о л ь т р о м б о ц и т ів . Пору шення цілості ендотелію призводить до активації субендотеліального фактору фон Віллєбранда (\'1\'К) та колагену, які сприяють адгезії й актива ції тромбоцитів. Активація тромбоцитів зумовлює виражену зміну форми цих клітин (від малень ких круглястих дисків до плоских пластин із гострими виступами, які помітно збільшують площу поверхні), а також виділення секреторних гранул. За кілька хвилин ці продукти секреції залучають додаткові тромбоцити для агрегації та утворення первинної гемостатичної пробки (рис. 4.5, Б). • В т о р и н н н й г е м о с т а з : п о л ім е р и з а ц ія ф іб р и н і/. При травмі судини в місці ушкодження активується тканинний фактор - мембранозв'язаний прокоагулянтний глікопротеїд, що в нормі експресується субендотеліальними клітинами судинної стінки, такими як гладкі м'язові клітини, фібробласти. Тканинний фактор зв'язує та активує фактор VII (див. далі), слугує основним ініціатором коагуляційного каскаду, приводить до утворення тромбіну. Тромбін розщеплює циркулюючий фібриноген на нерозчинний фібрин, що зумовлює утворення фібринової сітки, а також стимулює активність тромбоцитів із метою додаткової їх агрегації у місці травми. Цей процес називають вторинним гемоста зом, завдяки якому фіксується первинна тромбоцитарна пробка (рис. 4.5, В). • С т а б і л із а ц і я т а р е з о р б ц і я з г у с т к ів . Полімеризований фібрин та агрегати тромбоцитів консо лідуються й утворюють тверду вторинну пробку, яка запобігає подальшому крововиливу. На цьому етапі активуються регуляторні механізми зворот ного зв'язку (наприклад, тканинний активатор плазміногену (і-РА), який синтезується ендотеліоцитами) для обмеження процесу згортання лише у травмованій ділянці (рис. 4.5, Г); зрештою це при водить до резорбції згустків та репарації тканин. Слід наголосити, що ендотеліальні клітини є основними регуляторами гемостазу; баланс між анти- та прокоагулянтною активністю ендотелію визначає, який процес відбуватиметься - утворення тромбу, його прогресування чи резорбція. У нормі ендотеліальні клітини експресують різноманітні антикоагулянтні фактори, які інгібують агрегацію тром боцитів, коагуляцію та сприяють фібринолізу. Після травми або активації ці клітини реалізують численні прокоагулянтні механізми, наприклад, активують тромбоцити та фактори згортання (описано раніше, див. також рис. 4.11). Окрім травми ендотелій може Гемостаз і тромбоз бути активований мікробними патогенами, гемодинамічними силами і низкою прозапальних медіаторів. Після детального обговорення ролі тромбоцитів та факторів згортання в гемостазі ми повернемося до прокоагулянтної й антикоагулянтної ролі ендотелію, оскільки він модулює функції тромбоцитів і може стимулювати коагуляційний каскад. У наступних час тинах глави роль тромбоцитів, факторів згортання та ендотелію в гемостазі описано більш докладно, відпо відно до схеми на рис. 4.5. Адгезія т ром боцит ів, а кт и ва ц ія т а агрегація Тромбоцити відіграють основну роль у гемостазі шляхом формування первинної пробки, яка спо чатку герметизує дефект судини і забезпечує утво рення поверхні, на якій концентруються активовані фактори згортання крові. Це дископодібні без'ядерні фрагменти клітин, які утворюються із мегакаріоцитів кісткового мозку й виходять у кровоносне русло. їх функція залежить від кількох рецепторів глікопротеїдів, цитоскелета, який скорочується, та двох типів цитоплазматичних гранул. а-Гранули мають на мембра ні адгезивну молекулу Р-селектину (глава 3) і містять протеїни, задіяні в коагуляції, такі як фібриноген, фактор згортання V та у\УР, а також білкові фактори, які беруть участь у репарації ран, зокрема фактор 4 тромбоцитів (гепаринзв'язувальний хемокін), фактор росту тромбоцитів (РБСР) і ТСР-р. Тверді (або 8-) гранули містять АДФ, АТФ, йонізований калі.цій, серотонін й епінефрин (адреналін). Після травмування судини тромбоцити взаємоді ють із компонентами субендотеліальної сполучної тка нини, такими як у\УР і колаген. Унаслідок контакту із цими білками відбуваються послідовні реакції, кульмі нацією яких є утворення тромбоцитарної пробки (див. рис. 4.5, Б). • А д г е з ія т р о м б о ц и т ів значною мірою опосередко вана взаємодією із у\¥Р, я к и й є адгезивним містком між поверхневим рецептором тромбоцитів - глікопротеїдом ІЬ (СрІЬ) - та оголеним колагеном (рис. 4.6). Відомо, що спадковий дефіцит у\УР (хвороба фон Віллєбранда, глава 14) або СрІЬ (син дром Бернара-Сульє) призводить до надмірної кровоточивості, що свідчить про важливу роль цих факторів. • Ш в и д к а з м ін а ф о р м и т р о м б о ц и т ів після адгезії перетворення їх із гладких дисків на «морських їжаків», поверхня яких значно збільшена. Така зміна супроводжується конформаційною зміною глікопротеїду ІІЬДПа, що підвищує його спорід неність до фібриногену (див. далі), і транслокацією негативно заряджених фосфоліпідів (особливо фосфатидилсерину) до поверхні тромбоцитів. Ці фосфоліпіди зв'язують кальцій і виступають як центри нуклеації для збирання комплексів факто рів згортання. • С е к р е ц ія (в и в іл ь н е н н я ) г р а н у л відбувається разом зі зміною форми; ці дві події часто згадуються разом як активація тромбоцитів, що зумовлена низкою чинників, включаючи фактор коагуляції тромбіну та АДФ. Тромбін активує тромбоцити за допомо гою спеціального протеїн С-зв'язаного рецептора, який називають протеазоактивованим рецептором (ПАР). Цей рецептор підключається завдяки тому, Патологія: синдром Вернара-Сульє Патологія: тромбастенія Глянцманна Тромбоцит Фібриноген Ендотелій АДФ-індуковані конформаційні зміни Патологія: хвороба фон Віллєбранда Субендотелій 4 .6 . А д ге з ія т а а гр е га ц ія т р о м б о ц и т ів . Фактор фон Віллєбранда функціонує як адгезивний місток між субендотеліальним колагеном і рецептором тромбоцитів - СрІЬ. Агрегація тромбоцитів здійснюється шляхом зв'язування фібриногену з рецепторами СрІІЬ/ ІІІа на різних тромбоцитах. Природжені дефекти рецепторів або адгезивних молекул призводять до захворювань, перерахованих у кольорових рамках. АДФ - аденозиндифосфат Рис. що тромбін зумовлює протеолітичне розщеплення. АДФ є компонентом гранул щільних тілець. Отже, активація тромбоцитів і вивільнення АДФ забез печують додаткову активацію тромбоцитів - вербу вання. Активовані тромбоцити також продукують простагландин тромбоксан А, (ТХА^) - потужний стимулятор агрегації тромбоцитів. Аспірин галь мує агрегацію тромбоцитів шляхом інгібіції ЦОГ ферменту тромбоцитів, необхідного для синтезу ТХАП. Хоча цей феномен ще добре не вивчено, існує думка, що фактор росту, який виділяється тромбоцитами, сприяє репарації травмованої судинної стінки. • А г р е г а ц ія т р о м б о ц и т ів п іс л я їх а к т и в а ц ії. Конформаційна зміна глікопротеїду ІІЬ/ІІІа, що виникає при активації тромбоцитів, уможливлює зв'язування фібриногену - великого двовалентно го плазматичного поліпептиду, який утворює міст ки між сусідніми тромбоцитами, що призводить до їх агрегації. Вважають, що природжений дефіцит СрІІЬ/ІІІа спричиняє кровоточивість (тромбасте нія Глянцманна). Первинна агрегація тромбоцитів є оборотною, але одночасна активація тромбіну стабілізує тромбоцитарну пробку, що зумовлює подальшу активацію та агрегацію тромбоцитів і призводить до необоротного зморщення тромбоци тів', останнє залежить від цитоскелета й консоліда ції агрегованих тромбоцитів. Одночасно тромбін перетворює фібриноген на нерозчинний фібрин, фіксуючи тромбоцити на місці й утворюючи вторинну гемостатичну пробку. У гемостатичній пробці виявляють також еритроцити і лейкоцити, останні - завдяки тому що вони приєднуються до Р-селектину, який експресується активованими тромбоцитами. 107 108 ГЛАВА 4 Розлади гемодинаміки, тромбоемболія та шок ^РЕЗЮМЕ АДГЕЗІЯ, АКТИВАЦІЯ ТА АГРЕГАЦІЯ ТРОМБОЦИТІВ • При ушкодженні ендотелію оголюються базальні мембра ни ПКМ; тромбоцити прикріплюються до нього переважно шляхом зв’язування рецепторів тромбоцитів СрІЬ із факто ром фон Віллєбранда. • Адгезія зумовлює активацію тромбоцитів, що пов’язана із секрецією гранул тромбоцитів, які містять кальцій (кофактор для кількох коагуляційних білків) та АДФ (посередник для подальшої активації тромбоцитів); із характерною зміною форми та структури їхніх мембран; з активацією рецепторів СрІІЬ/ІІІа. • Рецептори СрІІЬ/ІІІа на активованих тромбоцитах утворю ють поперечні містки із фібриногеном, що супроводжується агрегацією тромбоцитів. • Супутня активація тромбіну сприяє відкладенню фібрину, фіксуючи тромбоцити на місці. Ф а кт о р и згорт ання Коагуляційний каскад - серія ферментативних реак цій, завдяки яким формується нерозчинний фібриновий згусток. Як буде обговорено далі, особливості утворення згустка залежать від різних чинників, у тому числі від того, відбувається цей процес у лаборатор ній пробірці чи кровоносних судинах іп і’іію (рис. 4.7). Однак процес згортання іп у і і г о й іп у і і ю розвивається із дотриманням загальних принципів, наведених нижче. Коагуляційний каскад можна порівняти із «танцем», в якому фактори згортання передаються від одного партнера до іншого (рис. 4.8). Кожний етап реакції включає фермент (активований фактор згортання), субстрат (неактивна проферментативна форма фак тору згортання) та кофактор (пришвидшувач реакції). Ці компоненти збираються на негативно зарядженій поверхні фосфоліпідів, яка забезпечується активова ними тромбоцитами. Збирання цих комплексів також залежить від наявності кальцію, який зв'язується із у-карбоксильними залишками глутамінової кислоти, що містяться у факторах II, VII, IX та X. Під час фер ментативних реакцій, які утворюють у-карбоксильну глутамінову кислоту, вітамін К слугує кофактором, тому цю ланку процесу згортання крові можна забло кувати такими препаратами, як кумадин, що справляє виражений антикоагулянтний вплив. На підставі результатів досліджень, проведених у клінічних лабораторіях, розрізняють зовнішній та внутрішній шляхи коагуляційного каскаду (див. рис. 4.7, А). • Визначення п рот ром бін ового часу (ПЧ) дає змогу оцінити функцію білків зовнішнього шляху (факто рів VII, X, V, II (протромбіну) і фібриногену). Цей показник визначають шляхом додавання до плаз ми тканинного фактору, фосфоліпідів та кальцію, потім фіксують час, протягом якого формується фібриновий згусток. • Під час визначення ч аст кового т ром бопласт инов ого часу (ЧТЧ) оцінюють функції білків внутріш нього шляху (факторів XII, XI, IX, VIII, X, V, II та фібриногену). Згортання плазми ініціюють шляхом додавання негативно заряджених частинок (напри клад, подрібненого скла), які активують фактор XII (фактор Гагемана) разом із фосфоліпідами та кальцієм, і фіксують час формування фібринового згустка. Хоча дослідження ПЧ та ЧТЧ має велике значення для оцінювання функції факторів згортання крові, він не дає змоги визначити окремо кожен морфогене- ЗГОРТАННЯ КРОВІ В ЛАБОРАТОРІЇ ЗГОРТАННЯ КРОВІ /Л/ VIVО Внутрішній шлях Ушкоджена судина Виділення тканинного фактору Негативно заряджені речовини (наприклад, подрібнене скло) І ТР) Зовнішній шлях Тканинний фактор ХІІа © і її — © • © Уа) ІХа ; • Ха ^ІНії С ~ Ш — —— ►( ... і Протромбін Ха '€ 2 Протромбін Тромбін Ш Тромбін І ФібриФібриноген _______ *. новий згусток Фібриноген Фібри■новий згусток Рис. 4.7. К о а гу л я ц ій н и й ка с ка д у л а б о р а то р н и х у м о в а х т а іп чічо: А - у лабораторних умовах коагуляцію активують шляхом додавання фосфоліпідів, кальцію та негативно заряджених речовин, таких як подрібнене скло (внутрішній шлях) або тканинний фактор (ТР; зовнішній шлях). Б - іп уіуо тканинний фактор є основним ініціатором коагуляції; він посилюється циклами зворотного зв’язку, що включають тромбін (пунктирні лінії). Червоним кольором позначені поліпептиди - неактивні фактори, темно-зеленим - поліпептиди, які виступають як активні фактори, світло-зеленим - поліпептиди-кофактори Гемостаз і тромбоз Активний фактор згортання (фермент) Неактивний фактор згортання (субстрат) Фосфоліпідна мембрана тромбоцитів Тканинний фактор Активований фактор X (Ха) Кофактор Уа Рис. 4.8. П осл ід овн е п е р е тв о р е н н я ф а кто р у X на ф акто р Х а зо в н іш н ім ш л ях о м із п о д а л ь ш о ю тр а н сф о р м а ц іє ю ф а к т о ру II (п р о тр о м б ін у ) у ф акто р На (т р о м б ін ). Початковий комплекс реакції складається із протеази (фактор УІІа), субстрату (фактор X ) та каталізатора реакції (тканинного фактору), зібраних на фосфоліпідній мембрані тромбоцитів. Йони кальцію необхідні для цієї реакції, оскільки утримують разом зібрані компоненти. Активований фактор Ха потім перетворюється на протеазний компонент наступного комплексу в каскаді, трансформуючи протромбін у тромбін (фактор На) за наявності інш ого каталізатора реакції - фактору Уа тичний механізм коагуляції іп у і у о . Це найбільш чітко виявляють при аналізі клінічних проявів дефіциту різних факторів згортання. Дефіцит факторів V, VII, VIII, IX і X призводить до помірної або сильної кровото чивості, а дефіцит протромбіну, ймовірно, несумісний із життям. На відміну від цього дефіцит фактору XI зумовлює лише незначну кровоточивість; при дефіциті фактору XII кровоточивість не характерна, навпаки можлива схильність до тромбозу. Парадоксальний ефект дефіциту фактору XII можна пояснити його залученням у процес фібринолізу (див. далі), хоча деякі експериментальні дані свідчать про те, що фак тор XII за певних обставин може спричиняти тромбоз. Патогенез захворювань із тромбоутворенням у людини поки що залишається невивченим. З урахуванням клінічних проявів дефіциту різних факторів згортання у людини вважають, що іп тип фактор УІІа/комплекс тканинних факторів є най важливішим активатором фактору IX, а фактор ІХа/ фактор УІІІа - активатором фактору X (див. рис. 4.7, Б). Слабка схильність до кровотечі при дефіциті фактору XI, ймовірно, пояснюється здатністю тромбіну активува ти фактор XI (а також фактори V і VIII), і механізмом зво ротного зв'язку, який посилює коагуляційний каскад. Серед факторів згортання тромбін є найважли вішим, оскільки його різноманітна ферментативна активність регулює численні аспекти гемостазу від згор тання крові до запалення та репарації. Найважливіші прояви активності тромбіну наведено нижче: • Перетворення фібриногену на фібринову сітку. Тромбін безпосередньо перетворює розчинний фібриноген на мономер, що полімеризується у нерозчинний фібрин, а також посилює процес згортання не тіль ки шляхом активації фактору XI, й активації двох важливих кофакторів - факторів V і VIII. Тромбін також стабілізує вторинну гемостатичну пробку, активуючи фактор XIII, який ковалентно перетинає фібрин. • Активація тромбоцитів. Тромбін є потужним індуктором активації та агрегації тромбоцитів уна слідок його здатності активувати ПАР, тим самим зв'язуючи функцію тромбоцитів із коагуляцією. • Прозапальні ефекти. ПАР також експресуються на імунних юйтинах, ендотеліоцитах та інших типах клітин (рис. 4.9). Активація тромбіном цих рецеп торів стимулює прозапальні ефекти, які сприяють репарації тканин та ангіогенезу. • Антикоагулянтні ефекти. Цікаво, що завдяки меха нізмам, які будуть описані далі, при контакті з нор мальним ендотелієм тромбін змінює свою функцію: прокоагулянтна дія змінюється на антикоагулянтну, що запобігає утворенню згустків за межами ділянки судинної травми. Чинники, що обмежують коагуляцію. Після акти вації коагуляційного каскаду його необхідно обмежи ти ділянкою травми з метою запобігання шкідливим наслідкам. Одним із таких чинників є просте розведен ня; кров, що тече через ушкоджену ділянку, вимиває активовані фактори згортання, які швидко видаляють ся печінкою. Другий чинник - це особливості негативно заряджених фосфоліпідів, що переважно представлені тромбоцитами, які були активовані шляхом контакту із субендотеліальним матриксом у ділянці травми. Проте найважливіші антирегуляторні механізми включають фактори неушкодженого ендотелію, який локалізуєть ся в ушкодженій ділянці (див. далі). Активація коагуляційного каскаду також ініціює каскад фібринолізу, який обмежує розмір згустка та сприяє його подальшому розчиненню (рис. 4.10). Фібриноліз зазвичай здійснюється внаслідок фермен тативної активності плазміну, який руйнує фібрин і 109 ГЛАВА 4 Розлади гемодинаміки, тромбоемболія та шок Агрегація тромбоцитів Активація ендотелію Активація лімфоцитів Тромбін Адгезія нейтрофілів Активація моноцитів РОСР і тромбозу), або шляхом активації плазміногену. Найважливішим активатором останнього є тканинний активатор плазміногену; він синтезується переважно ендотелієм і проявляє найбільшу активність після зв'язування із фібрином. Спорідненість із фібрином робить тканинний активатор плазміногену важливим терапевтичним чинником, тому що він здатний знач но обмежити фібринолітичну активність у вогнищах нещодавнього тромбозу. Після активації плазміну процес контролюють антирегуляторні фактори, такі як інгібітор а,-плазміну - білок плазми, який зв'язує та швидко інгібує вільний плазмін. РЕЗЮМЕ РРСР Гладка м'язова клітина Рис. 4.9 . Роль тро м б іну в гем остазі та а кти в а ц ії клітин. Тромбін відіграє важливу роль у формуванні фібрину шляхом розщеплення фібри ногену, активує фактор XIII (який відповідає за перетворення фібрину на нерозчинний згусток), а також кілька інших факторів згортання, тим самим посилюючи коагуляційний каскад (див. рис 4.7). Через протеазактивовані рецептори тромбін активує (1) агрегацію тромбоцитів і секре цію Т Х А 2; (2) ендотелій для синтезу адгезивних молекул лейкоцитів та різноманітних медіаторів - фібринолітичних (1-РА), вазоактивних (N 0 , ПГІ2) або цитокінів (РОСР); і (3) лейкоцити, посилюючи їх адгезію до активованого ендотелію. N 0 - оксид азоту; РОСР - фактор росту тром боцитів; ПГІ2 - простагландин І2 (простациклін); ТХА2 - тромбоксан А,; 1-РА - тканинний активатор плазміногену. Див. рис. 4.11: антикоагулянтна активність, опосередкована тромбіном, за допомогою тромбомодуліну. (Із дозволу 5. Сои§ЬІІп, Л40, РНО, Сагсііоуазсиїаг РезеагсЬ Іпніїиіе, ІІп'мекіїу о[ СаІІ[огпіа аг 5оп Ргапсі$со, 5ап Ргапсіхо, СаІІ(огпіа.) запобігає його полімеризації. Підвищений рівень про дуктів розщеплення фібриногену (їх часто називають фібрин-спліт продуктами), особливо О-димєри фібри ну, використовують як маркери деяких патологічних станів, пов'язаних із тромбоутворенням (описано далі). Плазмін з'являється в результаті ферментативного катаболізму неактивного циркулюючого попередни ка - плазміногену, або фактор ХІІ-залежним шляхом (що, можливо, пояснює зв'язок дефіциту фактору XII ФАКТОРИ ЗГОРТАННЯ • Згортання крові відбувається шляхом каскаду послідовного ферментативного перетворення циркулюючих і локально синтезованих білків. • Тканинний фактор, що виділяється в ділянці травми, є най важливішим ініціатором коагуляційного каскаду іп у і ю . • У заключній стадії згортання тромбін перетворює фібрино ген на нерозчинний фібрин, що сприяє формуванню вторин ної гемостатичної пробки. • Процес згортання в нормі обмежений місцем ушкодження судин унаслідок: • обмеження ферментативної активації поверхні фосфоліпідів, яку забезпечують активовані тромбоцити або ендотеліоцити; * циркуляції інгібіторів факторів згортання, таких як анти тромбін III, активність якого підвищується в разі експресії гепариноподібних молекул на ендотеліальних клітинах; * експресії тромбомодуліну на нормальних ендотеліальних клітинах, який зв'язує тромбін і перетворює його на анти коагулянт; • активації каскаду фібринолізу (наприклад, шляхом з’єднання тканинного активатора плазміногену із фібрином). Ендотелій Баланс між анти- та прокоагулянтною активністю ендотелію часто визначає, чи відбувається утворен ня, прогресування або резорбція згустків (рис. 4.11). Нормальні ендотеліальні клітини експресують безліч а-Антиплазмін а 2-Антиплазмін/комплекси плазміну Вільний плазмін Інгібітор активатора плазміногену Фібриновий згусток Фібриновий згусток / Тромбін ' Тканинний активатор плазміногену (1-РА) та урокіназа Плазміноген Тромбоцити Плазмін Ендотелій Рис. 4 .1 0 . С и с те м а ф ібринолізу. Н а в е д е н о різні а кти в а то р и п л а зм ін о ге н у та й о го ін гіб іто р и (пояснення у тексті) Гемостаз і тромбоз Гепариноподібні Інгібітор шляху молекули тканинного фактору ІНГІБІТОРИ ТРОМБОЗУ Тромбомодулін Рецептори тромбіну Ендотеліальні ефекти < *Г < ** Антитромбін Тромбін Тромбін Інактивація комплексу тканинний фактор/ фактор УІІа Протеїн С = Інактиватор тромбіну (також фактори ІХа і Ха) Активний про теїн С ПГІ2, N0 і аденозиндифосфатаза Сповільнення агрегації тромбоцитів Протеїн 5 як кофактор V Активація фібринолізу Інактивація факторів Уа і УІІІа АКТИВАТОРИ ТРОМБОЗУ Зовнішній шлях коагуляції Адгезія тромбоцитів (зв'я зування фібриногеном) І Вивільнення мембранозв'язаного тканинного фактору .. .1 ’ * , • ..• Колаген Рис. 4.11. Антикоагулянтні властивості нормальних ендотеліоцитів (зверху) та прокоагулянтні властивості уш ко д ж ен и х або активованих ендотеліоцитів (унизу). N0 - оксид азоту; ПГ/2 - простагландин І, (простациклін); і-РА - тканинний активатор плазміногену; уУУР - фактор фон Віллєбранда. Рецептори тромбіну також називають рецепторами, активованими протеазою (ПАР) факторів, які гальмують прокоагулянтну активність тромбоцитів і факторів згортання, у такий спосіб посилюючи фібриноліз. Ці фактори діють узгоджено, щоб запобігти тромбозу й обмежити процес згортання ділянкою ушкодженої судини. Ендотеліальні клітини втрачають значну частину антикоагулянтних влас тивостей, якщо вони ушкоджені або піддаються дії прозапальних медіаторів. На цьому ми завершуємо обговорення гемостазу й акцентуємо увагу на антикоагулянтній активності нормального ендотелію; ми повернемося до «темної сторони» ендотеліальних клі тин пізніше, коли йтиметься про тромбоз. Антикоагулянтні властивості ендотелію можна кла сифікувати так: вплив, спрямований на тромбоцити, фактори згортання та фібриноліз. • Ефекти ін гібіц ії т ром боцит ів. Важливим ефектом інтактного ендотелію є бар'єрна функція - ендо телій захищає тромбоцити від субендотеліального уі\'Т і колагену. Також нормальний ендотелій про дукує низку факторів, які гальмують активацію й агрегацію тромбоцитів. Найважливіші з них - про стациклін, N 0 та аденозин-дифосфатаза; остання розщеплює АДФ, як описано раніше, є потужним активатором агрегації тромбоцитів. Нарешті, ендо теліальні клітини зв'язують і змінюють активність тромбіну - одного з найсильніших активаторів тромбоцитів. • А нт икоагулянт ні ефект и. Нормальний ендотелій захищає фактори згортання від тканинного факто ру у судинній стінці та експресує безліч факторів, які активно протидіють згортанню, зокрема тром бомодулін, ендотеліальний рецептор протеїну С, гепариноподібні молекули й інгібітор шляхів тка нинного фактору. Тромбомодулін та ендотеліальний рецептор протеїну С відповідно об'єднують тромбін і протеїн С у комплекс на мембрані ендотеліальних клітин. Після зв'язування тромбін втрачає здатність активувати фактори згортання і тромбоцити, а замість цього розщеплює й активує протеїн С, віта мін К-залежну протеазу, яка слугує кофактором, та протеїн 5. Активований комплекс протеїн С-протеїн 5 є потужним інгібітором факторів згортання Уа та УІІІа. Гепариноподобні молекули на поверхні ендотелію зв'язують й активують антитромбін III, який потім інгібує тромбін та фактори ІХа, Ха, ХІа і ХПа. Застосування у клінічній практиці гепарину 11 112 ГЛАВА 4 Розлади гемодинаміки, тромбоемболія та шок й подібних препаратів ґрунтується на їх здатності стимулювати активність антитромбіну III. Інгібітор шляхів тканинного фактору (ТРРІ), зокрема проте їн С, що потребує наявності протеїну 5 як кофакто ра, зв'язує й інгібує комплекс тканинний фактор/ фактору УІІа. • Ф ібриноліт ичні ефекти. Нормальні ендотеліальні клітини синтезують Ї-РА, який уже описано як клю човий компонент фібринолітичного шляху. Тромбоз Первинними розладами, що спричиняють внутрішньосудинний тромбоз, є (1) ушкодження ендотелію, (2) стаз або турбулентний кровотік, і (3) гіперкоагуляція крові (так звана т р іада В ір х ова; рис. 4.12). Тромбоз - одна із важливих проблем сучасної меди цини, оскільки лежить в основі найбільш тяжких і поширених серцево-судинних захворювань. У цій главі основну увагу приділено причинам і наслідкам тром бозу; його значення в патогенезі серцево-судинних захворювань докладно розглядається у главах 10,11. У ш к о д ж е н н я ендотелію Ушкодження ендотелію, що призводить до активації тромбоцитів, відіграє важливу роль при утворенні тромбу в серці й артеріальній системі кровообігу, де висока швидкість кровотоку запобігає утворенню згуст ків. Відомо, що згустки, які формуються в камерах сер ця або артеріях, зазвичай містять багато тромбоцитів. Вважають, що адгезія й активація тромбоцитів слугує необхідною передумовою для утворення тромбу на тлі швидкого кровотоку, характерного для артерій. Саме це є одним із компонентів аргументованого викорис тання аспірину та інших інгібіторів тромбоцитів при ІХС і гострому інфаркті міокарда. Очевидно, що тяжке ушкодження ендотелію, коли виділяються у\УР і тканинний фактор, може спричи няти тромбоз. Окрім того, запалення та інші шкідливі чинники також призводять до тромбозу, змінюючи структуру експресії генів ендотеліальних клітин на один із тих, що є «протромботичним». Цю зміну іно- Рис. 4.12. Тріада Вірхова при тромбозі. Цілість ендотелію - це найважливіший чинник. Аномалії прокоагулянтів або антикоагулянтів зумовлюють тромбоз. Порушення кровотоку (стаз або турбулент ність) може призвести до гіперкоагуляції безпосередньо, а також опосередковано через дисфункцію ендотелію ді називають активацією, або дисфункцією ендотелію; її можуть зумовлювати різноманітні чинники, включа ючи механічну травму, інфекційні агенти, порушення кровотоку, медіатори запалення, метаболічні розлади (такі як гіперхолестеринемія або гомоцистинемія), а також токсини сигаретного диму. Вважають, що акти вація ендотелію відіграє важливу роль у морфогенезі артеріального тромбозу. Значення активації та дисфункції ендотеліальних клітин при артеріальному тромбозі також обговорю ється у главах 10, 11. Далі ми відзначимо кілька основ них протромботичних змін ендотелію: • П рокоагулян т ні зміни. Ендотеліальні клітини, активовані цитокінами, регулюють експресію тромбомодуліну (описаний раніше ключовий модулятор активності тромбіну). Це може призвести до стійкої активації тромбіну, що своєю чергою стимулює тромбоцити і посилює запалення через ПАР, які експресуються тромбоцитами та запальними клі тинами. Окрім того, унаслідок запалення ендотелій знижує експресію інших антикоагулянтів, таких як протеїн С й інгібітор шляхів тканинного фактору, що посилює прокоагулянтний ефект. • Антифібриноуіітичні ефекти. Активовані ендоте ліальні клітини секретують інгібітори активаторів плазміногену (РАІ), які обмежують фібриноліз і знижують експресію 1-РА, що сприяє утворенню тромбів. П о р уш е н н я кровот оку Турбуленція крові (хаотичний кровотік) спричиняє ушкодження ендотелію або його дисфункцію, при зводить до зворотного кровотоку, створює місцеві умови для розвитку стазу, чим зумовлює формуван ня тромбів в артеріальному руслі й серці. Стаз - це основна причина утворення тромбів у венах. В умовах нормального ламінарного кровотоку тромбоцити (й інші клітини крові) локалізуються переважно в центрі просвіту судини, повільно відділяючись від ендотелію поточним шаром плазми. Стаз і турбуленція призво дять до шкідливих наслідків, а саме: • обидва стимулюють активацію ендотелію та підви щують прокоагулянтну активність, частково через гемодинамічно індуковані зміни експресії генів ендотеліальних юіітин; • при стазі тромбоцити і лейкоцити контактують з ендотелієм на тлі повільного кровотоку; • стаз також сповільнює вимивання активних факто рів згортання крові та перешкоджає надходженню інгібіторів коагуляції. Турбуленція і стаз спричинюють розвиток тромбозу при деяких клінічних станах. Виразкова атеросклеро тична бляшка не тільки оголює субендотеліальний ПКМ, а й зумовлює турбулентність. Ділянки аномаль ної дилатації аорти і артерій, які називають аневриз мами, створюють локальний стаз і, відповідно, умови для тромбозу (глава 9). Гострий інфаркт міокарда при зводить до утворення зони нескоротливого міокарда. Надалі ремоделювання шлуночків після перенесеного інфаркту може спричинити формування аневриз ми. В обох випадках можуть утворюватися муральні тромби як результат локального стазу крові (глава 11). Мітральний стеноз (наприклад, при ревматизмі) при Гемостаз і тромбоз зводить до дилатації та фібриляції лівого передсердя. Передсердя у стані дилатації - це місце, де виникає стаз і формуються тромби. Підвищена в'язкість крові (як при справжній поліцитемії; глава 12) збільшує резис тентність кровотоку і призводить до стазу в дрібних судинах; деформовані еритроцити при серпоподібноклітинній анемії (глава 12) зумовлюють оклюзію судин із подальшим стазом, спричиняючи тромбоз. Гіперкоагуляція Гіперкоагуляція - аномально висока схильність крові до згортання, як правило, зумовлена змінами факторів згортання. Часто вона слугує причиною тромбозу артерій або порожнин серця. Також гіпер коагуляція є важливим фактором ризику тромбозу вен. Порушення активності факторів згортання, які визна чають схильність людини до тромбозу, можна розділи ти на первинні й вторинні. Первинна (у сп адк ован а) гіперкоагуляція найчастіше зумовлена мутаціями фактору V і генів протромбіну: • Приблизно від 2 до 15 % осіб зі світлою шкірою мають мутацію специфічного фактору V (яку нази- Зміни факторів згортання Первинні (генетичні) Часті (> 1 % за гал ьн ої популяції) Мутації фактору V (мутація С1691А, мутація фактору V Лейдена) Мутація протромбіну (варіант С20210А) Підвищені рівні факторів VIII, IX, XI або фібриногену Рідкісні Дефіцит антитромбіну III Дефіцит протеїну С Дефіцит протеїну 5 Д у ж е рідкісні Дефект фібринолізу Гомозиготна гомоцистеїнурія (дефіцит цистатіонін-Р-синтази) Вторинні (набуті) Високий ризик т ром бозу Тривала іммобілізація при ліжковому режимі Інфаркт міокарда Фібриляція передсердь Ушкодження тканини (хірургічна операція, перелом, опік) Рак Протезування клапанів серця ДВЗ-синдром Гепарин-індукована тромбоцитопенія Антифосфоліпідний синдром Н изький ризик т ром бозу Кардіоміопатія Нефротичний синдром Гіперестрогенія (вагітність і післяпологовий період) Уживання оральних контрацептивів Серпоподібно-клітинна анемія Тютюнокуріння вають мутацією Лейдена, на честь голландського міс та, де її було описано вперше). Серед пацієнтів, які мають рецидивний тромбоз глибоких вен, частота цієї мутації сягає 60 %. Мутація змінює амінокислот ний залишок фактору V і робить його стійким до протеолізу під дією протеїну С. Отже, порушується важливий антитромботичний механізм. У гетеро зиготних носіїв ризик тромбозу вен підвищений у 5 разів, тоді як у гомозиготних носіїв - у 50 разів. • Зміна одного нуклеотиду (С на А) у З’-нетрансльованій ділянці гена протромбіну - інша мутація, яка часто трапляється в осіб із гіперкоагуляцією (від 1 до 2 % загальної популяції). Вона проявляється підви щеним рівнем протромбіну і підвищеним ризиком тромбозу вен (майже в 3 рази). • Підвищений рівень гомоцистеїну призводить до розвитку тромбозу артерій та вен, а також зумовлює виникнення атеросклерозу (глава 10). Прокоагулянтні ефекти, можливо, є наслідком формування тіоефірних зв'язків між метаболіта ми гомоцистеїну і різними білками, включаючи фібриноген. Помітне підвищення рівня гомоцис теїну може бути спричинене природженим деф і цитом цистатіон-р-синтетази. • Рідкісну первинну гіперкоагуляцію може зумовлю вати природжений дефіцит антикоагулянтних фак торів - антитромбіну III, протеїну С або протеїну 5. Такі пацієнти в юності або в ранній період дорос лого життя схильні до тромбозу вен із подальшим розвитком тромбоемболії. Незважаючи на те що ризик тромбозу несуттєво підвищується у гетерозиготних носіїв фактору V (Лейдена) та варіанта гена протромбіну, ці генетич ні фактори мають додаткове значення із двох при чин. По-перше, обидва аномальні алелі доволі часто зустрічаються, тому як гомозиготні, так і гетерозигот ні носії - не рідкість, і саме у цих пацієнтів набагато вищий ризик тромбозу. Більше того, у гетерозиготних індивідів значно підвищений ризик тромбозу вен за наявності інших набутих факторів ризику, таких як вагітність, тривалий ліжковий режим, тривалі пере льоти. Отже, природжену патологію гіперкоагуляції у молодих пацієнтів (віком до 50 років), особливо в разі поєднання з набутими факторами ризику тромбозу, слід брати до уваги. В т ори н н а (н а б у т а ) гіп ер к о а гу л я ц ія спостері гається у багатьох випадках. У деяких ситуаціях (наприклад, серцева недостатність або травма) най важливішою її причиною може бути стаз крові або ушкодження судин. Гіперкоагуляція, що розвиваєть ся на тлі вживання оральних контрацептивів та при гіперестрогенному стані у вагітних, може спричиня тися посиленим синтезом печінкою факторів згортан ня та дефіцитом антитромбіну III. При дисемінованих формах раку вивільнення прокоагулянтних продук тів пухлини (наприклад, муцину з аденокарциноми) призводить до тромбозу. Гіперкоагуляція, яка роз вивається з віком, пояснюється надмірною агрега цією тромбоцитів і недостатнім вивільненням ПГІ2 з ендотелію. Тютюнокуріння та ожиріння зумовлюють гіперкоагуляцію за досі ще невідомими механізмами. Серед набутих тромбофілій особливо важливими дня клінічної практики є дві форми, описані нижче. 113 ГЛАВА 4 Розлади гемодинаміки, тромбоемболія та шок • Синдром гепарин-індукованої тромбоцитопенії. Цей синдром спостерігається у 5 % пацієнтів, яким призначають нефракціонований гепарин (для терапевтичної антикоагуляції), проявляється утво ренням аутоантитіл, що зв'язують гепарин із мемб ранними білками тромбоцитів (фактор 4 тром боцитів; глава 12). Хоча механізм цього явища ще досконально не вивчений, доведено, що зазначені антитіла можуть також зв'язувати аналогічні комп лекси на мембрані тромбоцитів й ендотеліальних клітин, що призводить до активації, агрегації та 1 споживання тромбоцитів (як результат - до тром боцитопенії). Окрім того, ушкоджується ендотелій. Отже, загальним результатом буде прокоагулянтний стан, навіть на тлі застосування гепарину і зменшення кількості тромбоцитів. Нові, низькомо лекулярні фракціоновані препарати гепарину рід ше індукують утворення аутоантитіл, але все-таки можуть спричиняти тромбоз, якщо аутоантитіла утворилися раніше. • Антифосфоліпідний синдром. Ця патологія має різно манітні клінічні прояви, включаючи рецидивний тромбоз, повторні мимовільні викидні, тромбоендокардит і тромбоцитопенію. Залежно від ураже ної ділянки судинного русла можуть розвиватися легенева емболія (із глибоких вен нижніх кінцівок), легенева гіпертензія (у результаті рекурентної субклінічної легеневої емболії), інсульт, інфаркт кишок або ниркова гіпертензія. Смерть плода спричинена не тромбозом, а антитіло-опосередкованим пору шенням процесів росту й диференціації трофобласту, що призводить до плацентарної недостатності. ляється після вживання деяких лікарських засобів або перенесених інфекцій. Лікування включає антикоагу л я н т у й імуносупресивну терапію. Антифосфоліпідні антитіла чітко асоціюються з розвитком тромбоцитопенічної пурпури. Вони також були ідентифіковані у 5-15 % здорових осіб; це свідчить про те, що для розви тку повноцінного синдрому необхідна певна концент рація антитіл. ^ : М О Р Ф О Л О Г ІЯ Тромби можуть виникати в різних відділах серцево-судинної системи. Артеріальні або серцеві тром би зазвичай утво р ю ються на ділянках травмованого ендотелію чи турбулентно го кровотоку; венозні тром би з'являються при стазі. Тромби прикріплені до судинної стінки і зазвичай пош ирю ю ться у бік серця; таким чином , артеріальні тром би ростуть у зворотному напрямку від зони прикріплення (ретроградно), тоді як веноз ні тром би - у напрямку кровотоку. Вільна частина, яка росте, слабо прикріплена до о сно вн о го тіла тром бу і том у схильна до фрагментації та міграції в крові у вигляді емболів. П ри м акроскопічном у дослідженні (як і при м ікро скоп іч н о му) виявляють ребристу (шаровану) поверхню тромбу. Ці шари називають лініями Зона. Вони являють со бо ю чергування блідих і те м но-червоних шарів; перші представлені тром боцитам и й фібрином, другі - еритроцитами. Така стратифікація означає, щ о тр о м б формується у кровоносном у руслі. Ц е дає зм огу від різняти тр о м б від п о см ертного згустка крові. Незважаючи на те щ о тромби, які утворюються у венозній системі з повільним кровотоком , нагадують посмертні згустки крові, при уважному огляді зазвичай виявляють хоч і невиражену, але ребристу п о верхню. Тромби, щ о утворю ю ться в камерах серця або просвіті аор Антифосфоліпідний синдром також є причиною ниркової мікроангіопатїї, унаслідок якої розвивається ниркова недостатність, асоційована із численними тромбозами капілярів та артерій (глава 14). Назва синдрому виникла в результаті виявлення у пацієнтів циркулюючих антитіл, які зв'язуються із фосфоліпідами. Однак ця назва вводить в оману, оскільки вважається, що найважливіші патологічні ефекти опо середковані зв'язуванням антитіл з епітопами на білках плазми, які якимось чином індуковані або «забезпече ні» фосфоліпідами. Існує думка, що антитіла мають Р2-глікопротеїд І - білок плазми, який зв'язується із поверхнею ендотеліальних клітин, трофобласту і про тромбіну. Можливо, що іп і ч у о ці антитіла з'єднуються між собою та іншими білками, тим самим спричиняю чи гіперкоагуляційний стан за допомогою ще невизначених механізмів. Проте іп і’ііго антитіла взаємодіють із фосфоліпідами і в такий спосіб інгібують коагуляцію (звідси виникла назва «вовчаковий антикоагулянт», також неправильний термін). Часто циркулюючі анти тіла дають псевдопозитивну серологічну реакцію на сифіліс, оскільки антигеном у стандартному дослі дженні слугує кардіоліпін. Розрізняють первинну і вторинну форми антифосфоліпідного синдрому. При маніфестних аутоімунних захворюваннях, таких як системний червоний вовчак (глава 5), розвивається вторинний антифосфоліпідний синдром (звідси і старий термін - вовчаковіш антикоагулянтний синдром). При первинному антифосфоліпідному синдромі у пацієнтів відзначають лише ознаки гіперкоагуляції, але без аутоімунної патології; іноді це прояв ти, називають м у р а л ь н и м и т р о м б а м и . Аномальні с ко р о чення міокарда (аритмії, дилатаційна кардіоміопатія, інфаркт міокарда) або ураження ендоміокарда (міокардит, катетерна травма) зумовлюють появу муральних тромбів (рис. 4.13, А), тоді як атеросклеротичні бляшки, особливо з виразками, й аневризма аорти - розвиток тром бозу аорти (рис. 4.13, Б). А р т е р іа л ь н і т р о м б и часто спричиняю ть обтурацію су дини. Вони, як правило, багаті на тром бо ци ти, завдяки п р о цесам, щ о лежать в основі їх розвитку (наприклад, ураження ендотелію) і призводять до активації тром боцитів. Зазвичай ці тром би утворю ю ться на поверхні атеросклеротичної бляшки, хоча можуть виникати і внаслідок інш ої патології судинної стін ки (васкуліт, травма). В е н о з н і т р о м б и (ф л е б о т р о м б о з ) майже завжди обтураційні; часто ростуть у напрямку серця, формуючи довгий зліпок із судини, щ о може сп ричинити емболію. О скільки ці тр о м би утворю ю ться у повільному венозному кровотоку, вони, як правило, містять більше еритроцитів, щ о призводить до формування червоних, або стазових, тромбів. Найчастіше ура жуються вени ни ж н іх кінцівок (90 % тромбозів вен); однак ве нозні тром би та ко ж можуть виникати у венах верхніх кінцівок, передміхуровозалозовому сплетенні або у венах яєчників та маткового сплетення; за особливих обставин їх можна виявити в пазухах твердої оболони, ворітній вені або печінкових венах. П ри аутопсії п о с м е р т н і з г у с т к и кр о в і іноді можна п о милково прийняти за венозний тромб. П роте консистенція посм ертних згустків ж елатиноподібна внаслідок зсідання ери троцитів; вони мають тем но-червону ни ж ню частину та ж овту верхню частину («курячий жир»), не прикріплені до судинної стінки. На відміну від них червоні тромби, як правило, міцні, прикріплені до судинної стінки і містять прош арки відкладеного фібрину. Гемостаз і тромбоз паратів (наприклад, 1-РА при діагностиці гострого коронарного тромбозу) зазвичай неефективне, якщо не вводити препарати протягом декількох годин після утворення тромбу. • О рганізація і рекан алізац ія. Старі тромби органі зовуються шляхом вростання всередину ендоте ліальних, гладких м'язових клітин і фібробластів (рис. 4.14). Згодом утворюються капілярні канали, які, хоча й в обмеженому ступені, створюють «тру бопроводи» по довжині тромбу, тим самим від новлюючи прохідність просвіту судини. Подальша реканалізація інколи може перетворювати тромб на васкуляризовану масу сполучної тканини, яка зрештою вбудовується в стінку реконструйованої судини. Іноді замість організації у центрі тромбу виникає ферментативне розплавлення, імовірно, завдяки виділенню лізосомальних ферментів із захоплених лейкоцитів. При бактеріальному інфі куванні такі тромби є ідеальним культуральним середовищем; інфекція, що розвивається, може ослабити тонус судинної стінки, що призводить до утворення мікотичної аневризми (глава 10). Клінічні особливості Рис. 4.13. М уральні тр о м б и : А - тромб у ділянці верхівок лівого і правого шлуночків, прилеглий до білого фіброзного рубця. Б - ребрис тий тромб в аневризмі черевної аорти. Численні муральні тромби, що розкришуються на тлі атеросклерозу проксимальної аорти (ліва части на мікрофотографії) Тромби на клапанах серця називають вегетаціями. Гемато генні бактерії або грибки можуть призводити до уш кодж ення клапанів і спричиняти формування великих тр о м б о ти чн и х мас (інфекційний ендокардит; глава 11). А септичні вегетації можуть утворюватися на неінф ікованих клапанах у разі гіперкоагуляції (небактеріальний тромботичний ендокардит; глава 1 1 ). Іноді при системному червоному вовчаку розвивається бородавчас Тромби мають велике клінічне значення, тому що спричиняють обструкцію артерій та вен і можуть при зводити до емболії. Клінічні прояви залежать від лока лізації тромбів. Наприклад, венозні тромби зумовлю ють застій і набряк у судинному руслі дистальніше від місця обструкції, але особливо небезпечні вони через те, що слугують джерелом легеневої емболії, яка може призвести до летального наслідку. Артеріальні тромби також можуть бути джерелом емболії та спричинюва ти інфаркти тканин: їх тенденція до оклюзії просвіту судин (наприклад, вінцевих і мозкових артерій) є загрозливою для життя. В енозний т ром боз (ф леботромбоз) Більшість венозних тромбів утворюється в поверхне вих або глибоких венах нижніх кінцівок. Поверхневі венозні тромби зазвичай виникають у підшкірних венах, на ділянках варикозного розширення. Такі тромби зрідка призводять до емболії; вони спричи- тий ендокардит (ендокардит Л ібмана-С акса; глава 5). Наслідки т ромбозу Якщо пацієнт виживає після первинного тромбозу, тромб протягом кількох днів або тижнів проходить такі етапи розвитку: • П рогресія. Тромб збільшується шляхом накопи чення нових тромбоцитів і фібрину, що підвищує ризик обтурації судини або розвитку емболії. • Емболія. Частини тромбу або весь тромб відрива ються і переміщаються на інші ділянки судинного русла. • Р озплавлення. Завдяки активації фібринолізу новоутворений тромб може швидко зменшитися або зникнути, у старих тромбах інтенсивне від кладання фібрину призводить до підвищення їх резистентності до плазмін-індукованого протеолі зу і тим самим ускладнює лізис тромбу. Ця стійкість до лізису має велике клінічне значення, оскільки терапевтичне застосування фібринолітичних пре Рис. 4.1 4. О р га н із а ц ія тр о м б у . Під малим збільшенням мікроско па видно тромб в артерії; еластична тканина забарвлена. Початковий просвіт, обмежений внутрішньою еластичною пластинкою (стрілки), повністю заповнений організованим тромбом 1 116 ГЛАВА 4 Розлади гемодинаміки, тромбоемболія та шок няють біль, місцевий застій крові й набряк як резуль тат порушеного венозного відтоку, що своєю чергою зумовлює розвиток інфекції та утворення трофічних виразок. Тромбоз глибоких вен, наприклад, великих вен ноги вище або нижче від коліна (підколінних, стегнових та клубових) - більш тяжка патологія, оскільки спричиняє емболію. Незважаючи на те що тромби глибоких вен призводять до місцевого набря ку тканин і болю, розвиток колатерального кровотоку може швидко компенсувати їх обструкцію. Тромбоз глибоких вен нижніх кінцівок має безсимптомний перебіг приблизно у 50 % випадків, його діагностують тільки після виникнення легеневої емболії. Тромбоз глибоких вен нижніх кінцівок пов'яза ний зі стазом та гіперкоагуляцією, описаними рані ше. Поширеними факторами ризику є хронічна сер цева недостатність, ліжковий режим та іммобілізація; два останні фактори важливі тому, що в цих умовах знижується скоротлива здатність м'язів ніг, а отже, зменшується венозний відтік. Травма, хірургічна операція, опіки не тільки призводять до іммобілізації хворого, а й зумовлюють ушкодження судин, вивіль нення прокоагулянтів, посилення синтезу факторів згортання в печінці та сповільнення синтезу тканин ного активатора плазміногену. Численні фактори сприяють розвитку тромбоцитопенічної пурпури вагітних; під час пологів можливим є потрапляння амніотичної рідини у кровотік унаслідок підвищено го тиску, який створюється у матці при народженні дитини, що може призводити до застою у венах ніг; окрім того, відомо, що пізній період вагітності та післяпологовий період пов'язані із гіперкоагуляцією. Вивільнення пухлино-асоційованого прокоагулянта насамперед відповідає за підвищений ризик тромбоемболії при дисемінованих формах раку. Його іноді називають мігрувальним тромбофлебітом через тенден цію до залучення одночасно кількох різних венозних колекторів, або синдромом Труєсо - за прізвищем ліка ря, який описав це захворювання і страждав від нього. Незалежно від конкретної клінічної ситуації ризик розвитку тромбозу підвищується в осіб віком понад 50 років. РЕЗЮ МЕ ТРОМБОЗ • Утворення тромбу, як правило, пов’язане з одним або кілько ма компонентам и тріади Вірхова: • уш кодж ення ендотелію (наприклад, унаслідок дії токсинів, артеріальної гіпертензії, запалення або впливу продуктів обм іну речовин); • аномальний кровотік, стаз або турбулентність (наприклад, унаслідок аневризми, атеросклеротичних бляшок); • гіперкоагуляція: первинна (наприклад, фактор V (Лейдена), підвищ ений синтез протромбіну, дефіцит а нтитром біну III) або вторинна (наприклад, ліжковий режим, уш кодж ення Арт еріальний і коронарний тромбоз Основною причиною артеріального тромбозу є ате росклероз, при якому порушується цілість ендотелію і виникає аномальний артеріальний кровотік (див. рис. 4.13, Б). Інфаркт міокарда може зумовлювати роз виток мурального тромбозу, який супроводжується дискінетичним скороченням міокарда й ушкодженням ендокарда (див. рис. 4.13, А). При ревматизмі уражен ня серця може призводити до мурального тромбозу передсердя, спричиняючи його дилатацію та фібриля цію передсердь. Ускладненням артеріального і коро нарного тромбозу може бути емболія. Хоча найчастіше уражуються головний мозок, нирки і селезінка, завдяки розвинутій судинній сітці ушкодження можуть вини кати у будь-якій тканині. Синдром дисемінованого внутрішньосудинного згортання (ДВЗ-синдром) ДВЗ-синдром - поширений тромбоз мікроциркуляторного русла, який може проявляється стрімким або поступовим утворенням фібринових тромбів. Він спо стерігається при багатьох захворюваннях, починаючи від акушерських ускладнень до злоякісних пухлин із вираженою генералізацією, ускладнює ситуацію зна чно поширений тромбоз мікроциркуляторного рус ла, що призводить до швидкого зменшення кількості тромбоцитів і факторів згортання (звідси й друга назва ДВЗ-синдрому - коагулопатія споживання) на тлі актива ції фібринолітичних механізмів, у результаті надмірне згортання крові й кровотеча можуть розвиватися в того самого пацієнта. Докладніше це обговорюється у гла ві 12 разом з іншими геморагічними діатезами. ЕМБОЛІЯ Ембол - тверда, рідка або газоподібна маса, яка віль но розташовується всередині судини і переноситься кров'ю у віддалені ділянки, де спричиняє дисфункціональні розлади або інфаркти тканин. Більшість емболів являє собою частинки, які відірвалися від тромбів, що зумовлює використання терміна «тромбо емболія». У рідкісних випадках емболами можуть бути краплі жиру, бульбашки повітря або азоту, продукти розпаду атеросклеротичної бляшки (холестерино ві емболи), фрагменти пухлини, кісткового мозку, а також амніотичної рідини. Циркулюючи в крові, емболи потрапляють у судини малого діаметра, що перешкоджає подальшій їх циркуляції та призводить до часткової або повної закупорки просвіту судини. Залежно від локалізації ембола обтурація може вини кати у будь-якому відділі серцево-судинної системи. Основним наслідком системної емболії є ішемічний некроз (інфаркт) глибше розташованих тканин, тоді як емболія в малому колі кровообігу призводить до гіпоксії, артеріальної гіпотензії та правошлуночкової серцевої недостатності. тканини, злоякісні новоутворення). • Тромби можуть прогресувати (рости), розплавлятися, о р гані зовуватися або спричиняти емболію. • Тромбоз зумовлює локальне уш кодж ення тканин - шляхом облітерації просвіту судини або віддалене уш кодж ення — при розвитку емболії. Тромбоемболія легеневої артерії Легеневі емболи виникають при тромбозі глибоких вен і спричиняють найпоширенішу форму тромбоемболії.' Частота тромбоемболії легеневої артерії Емболія доставляти кров у легені). Однак при лівопшуночковій серцевій недостатності (коли відзначається недостатній приплив артеріальної крові у бронхи) така емболія нерідко є причиною інфаркту легень. • Обструкція емболами дрібних прикінцевих артері ол зазвичай призводить до інфаркту легень. • Наслідком тривалої множинної тромбоемболії нерідко бувають легенева гіпертензія та правошлуночкова серцева недостатність (сог риїтопаїе). Системна тромбоемболія Рис. 4.15. Ембол із гл и б о ки х вен н и ж н ь о ї к ін ц ів к и , щ о спри ч ин ив о б т у р а ц ію гіл ки л е ге н е в о ї а р т е р ії становить 2-4 на 1000 госпіталізованих пацієнтів. Незважаючи на те що з початку 1990-х років смерт ність при цій патології значно знизилася, вона все ще спричиняє близько 100 тис. смертей за рік у США. У більше ніж 95 % випадків емболи походять із тромбів, які локалізуються у глибоких венах нижніх кінцівок, розміщених ближче до підколінної ямки; емболія, спричинена тромбозом вен нижньої частини кінцівок, спостерігається рідко. При тромбозі глибоких вен фрагментовані тромби переносяться поступово через судини більшого діаме тра і, як правило, проходять через правий відділ серця, перш ніж затриматися в легеневих судинах. Залежно від розміру тромбоембола він може спричиняти обту рацію стовбура легеневої артерії, застрягти в ділянці біфуркації правої та лівої легеневих артерій (сідлоподіб ний ембол, або ембол-«наїзник») чи просунутися у більш тонкі розгалужені артеріоли (рис. 4.15). Найчастіше спостерігаються множинні емболи, що формуються такими із самого початку або виникають послідовно, коли великий ембол дробиться на окремі частини в момент закупорки судини. Ризик множинної емболії у пацієнтів з одним ембол ом досить високий. Зрідка емболи проходять через дефекти міжпередсердної або міжшлуночкової перегородки, потрапляючи в систем ний кровотік (парадоксальна емболія). Більш детально легенева емболія обговорюється у главі 13. Основні клінічні й патоморфологічні ознаки тромбоемболії легеневої артерії наведено нижче: • Часто емболія (60-80 %) не супроводжується вира женими клінічними симптомами внаслідок невели кого розміру ембола. Через деякий час емболи орга нізовуються й інкорпоруються в судинну стінку; у деяких випадках організація ембола завершується утворенням сітки тонких фіброзних перемичок. • Однак утворення великого тромбоембола, що заку порює стовбур або основну гілку легеневої артерії, може призвести до раптової смерті. • Обструкція емболами артерій середнього калібру, яка супроводжується розривом прилеглих капі лярів, може спричинити легеневу кровотечу. Ці емболи, як правило, не призводять до розвитку інфаркту легень завдяки подвійному кровопоста чанню (неушкоджені бронхові артерії продовжують Більшість емболів (80 %) відриваються від внутрішньосерцевих муральних тромбів, 2/3 яких асоційовані з інфарктами стінок лівого шлуночка, а 1/3 - із дила тацією лівого передсердя (наприклад, при ураженні мітрального клапана). Решта емболів утворюються із тромбів, що сформувалися в аневризмах аорти, на виразково-змінених атеросклеротичних бляшках, стул ках клапанів серця (глава 11) або у венозній системі (парадоксальна емболія). У 10-15 % випадків системної емболії походження емболів залишається нез'ясованим. На відміну від венозних емболів, що розміщуються в судинному руслі легень, артеріальні емболи можуть «подорожувати»; їх остаточна локалізація залежить від місця утворення тромбоембола й особливостей кро вотоку через прилеглі тканини. Основна локалізація артеріальних емболів - нижні кінцівки (75 % випадків) і головний мозок (10 % випадків), іноді - кишки, нир ки та селезінка. Наслідки емболії залежать від калібру ураженої судини, наявності колатерального кровопос тачання і чутливості тканини до ішемії; артеріальна емболія часто призводить до інфарктів. Жирова емболія При ушкодженні м'яких тканин або розриві судинних синусоїдів кісткового мозку (наприклад, при переломі трубчастих кісток) мікроскопічні краплі жиру потрап ляють у кровотік. Жирова та кістковомозкова форми емболії часто виникають після енергійної серцево-легеневої реанімації, але не мають клінічного значення. Хоча ці форми емболії спостерігаються у 90 % хворих із тяжкими ушкодженнями скелета (рис. 4.16, А), клінічні симптоми реєструють менше ніж у 10 % випадків. У деяких пацієнтів розвивається симптоматичний син дром жирової емболії, що характеризується легеневою недостатністю, неврологічними симптомами, анемією, тромбоцитопенією і дифузним петехіальним висипом. Ця патологія в 10 % випадків є летальною. Клінічні симптоми з'являються через 1-3 дні після ушкоджен ня - раптово розвиваються тахіпное, задишка, тахікар дія, дратівливість і неспокій із поступовим прогресу ванням у делірій або кому. Тромбоцитопенія зумовлена адгезією тромбоцитів до крапель жиру і подальшою агрегацією або секвестрацією в селезінці. Можлива ане мія в результаті агрегації еритроцитів і/або гемолізу. При швидкому розвитку тромбоцитопенії з'являються дифузні петехіальні крововиливи (у 20-50 % випадків), що є важливою діагностичною ознакою. Патогенез синдрому жирової емболії полягає у поєднанні механічної обструкції та біохімічного ушко дження. Виникає обтурація жировими мікроемболами мікроциркуляторного русла легень і головного мозку, 117 ГЛАВА 4 Розлади гемодинаміки, тромбоемболія та шок характеризується раптовою сильною задишкою, ціано зом та гіпотензивним шоком, який супроводжується судомами і комою. У початковий період зазвичай роз вивається набряк легень із ДВЗ-синдромом (приблизно у половини пацієнтів) як результат вивільнення тромбогенних речовин з амніотичної рідини. Вважають, що захворюваність і смертність у цих випадках спричинені не механічною обструкцією легеневих судин, а біо хімічною активацією системи згортання та природже ними імунними реакціями у відповідь на компоненти амніотичної рідини. Основна причина - потрапляння амніотичної рідини в кровоносну систему вагітної через розриви плацентарних мембран і маткових вен. Під час мікро скопічного дослідження в мікроциркуляторному руслі легень матері виявляють клітини плоского епітелію шкіри ембріона, пушкове волосся, казеозну змазку і муцини з респіраторного або травного тракту ембріона (рис. 4.16, Б). Також, розвиваються набряк легень, дифуз ні ушкодження альвеол (глава 13) та системний тромбоз фібриновими тромбами, що свідчить про ДВЗ-синдром. Повітряна емболія Рис. 4.16. Н е т и п о в а ем болія: А - кістковомозковий ембол, який складається із гемопоетичних елементів та жирової тканини (пусто ти) кісткового мозку, з'єднаних із тромбом. Б - амніотична емболія. Дві дрібні гілки легеневої артерії заповнені спіралеподібною масою, утвореною із плоского епітелію плода. Прилегла тканина легень з ознаками набряку і застою. (Надано Ог. В. ЗсНмагІг, Ваііітоге, М й .) яка обтяжується локальною агрегацією тромбоцитів. Надалі ці порушення прогресують унаслідок вивіль нення жирних кислот із крапель жиру, що спричиняє локальне токсичне ушкодження ендотелію. Активація тромбоцитів і мобілізація гранулоцитів (вільними радикалами, протеазами і ейкозаноїдами; глава 3) завершують судинну атаку. Оскільки при обробленні препаратів тканини речовинами, які використовують для парафінової заливки, ліпіди розчиняються, для мікроскопічної демонстрації крапель жиру (напри клад, коли елементи кісткового мозку відсутні) слід застосовувати спеціальні методи (заморожені зрізи та спеціальне фарбування). Амніотична емболія Амніотична емболія - рідкісне (1 випадок на 40 тис. пологів), але тяжке ускладнення пологів і найближ чого постнатального періоду. Рівень смертності сягає 80 %; це найпоширеніша причина смерті матерів у роз винених країнах і п'ята найчастіша причина смертно сті матерів у США (10 % випадків). Із тих, які вижили, 85 % мають неврологічні розлади. Клінічна картина Пухирці повітря, що потрапили в кровоносне русло і циркулюють у ньому, можуть зливатися і спри чиняти обструкцію просвіту судини та призводити до ішемії дистальних відділів. Наприклад, невелика кількість повітря, що потрапила у вінцеву артерію під час операцій з відновлення кровотоку або у спінальний кровотік при нейрохірургічних втручаннях, які вико нували в положенні пацієнта сидячи, може стати при чиною оклюзії, що призведе до необоротних наслід ків. Дрібні венозні повітряні емболи, як правило, не справляють шкідливий вшіив. Якщо повітря випадково потрапляє в легеневий кровотік під час акушерських або лапароскопічних втручань, при травмі грудної клітки (що спричиняє гіпоксію, а також проникнення в серце дуже великих венозних емболів), можливий летальний наслідок. Специфічну форму повітряної емболії називають декомпресійною хворобою, що розвивається при раптовій зміні атмосферного тиску. У групу ризику входять водолази, підводні робітники-будівельники й особи, які знаходяться в негерметичних кабінках, що швидко піднімаються на поверхню. У разі вдихання повітря під високим тиском (наприклад, під час глибокого занурення в море) збільшується кількість газу (особли во азоту), що розчиняється в крові й тканинах. Якщо аквалангіст піднімається (знижує тиск) занадто швид ко, азот, розчинений у тканинах, виділяється у вигляді бульбашок у кров й утворює газові емболи, які призво дять до ішемії тканин. Швидке утворення бульбашок газу всередині скелетних м'язів, у суглобах та прилег лих до них тканинах асоціюється із патологією, що діс тала назву вигинів (назва виникла в 1880-х роках, тому іцо вигинання спини хворими нагадувало популярну тоді жіночу модну позу - грецький вигин). У легеневих судинах бульбашки газу зумовлюють набряк, крово течу, локальний ателектаз або емфізему, а потім роз вивається респіраторний дистрес-синдром (задуха). Бульбашки газу, що потрапляють у ЦНС, можуть спри чинити розумові розлади і навіть раптовий розвиток коми. Хронічну форму декомпресійної хвороби нази інфаркт вають кесонною хворобою (назва походить від підводних кабін-кесонів, які використовували під час будівництва мостів). Ця хвороба зумовлена наявністю постійних або персистентних газових емболів у кістках, що при зводить до утворення множинних вогнищ ішемічного некрозу, найчастіше в головках кісток. Для лікування гострої декомпресійної хвороби потерпілого розміщують у барокамері, щоб перевес ти газ у розчинний стан. При подальшій повільній декомпресії відбувається поступове всмоктування і видихання газів, що запобігає утворенню обструктив них бульбашок. заворот кишок), травматичні розриви судин чи защем лення у грижовому мішку. Хоча венозний тромбоз може спричинити інфаркт, але найчастіше при цій патології виникає застій крові, як правило, швидко розвивається колатеральний кровотік для забезпечення достатнього відтоку, щоб відновити приплив артеріальної крові. Тому інфаркти, спричинені венозним тромбозом, зазвичай спостерігаються лише в органах, що мають одну ефе рентну вену (наприклад, яєчко або яєчник). М О Р Ф О Л О Г ІЯ Інфаркти класифікують за кольором (який відображає о б ’єм і ^ Р Е З Ю М Е ___________ крововиливу) і наявністю або відсутністю бактеріальної інфек ції. Ін ф а р к т м о ж е б у т и ч е р в о н и м ( г е м о р а г іч н и й ) і б і ЕМБОЛІЯ л и м (а н е м іч н и й ) , а т а к о ж с е п т и ч н и м й а с е п т и ч н и м . • Ембол - тверда, рідка або газоподібна маса, яка переносить оклюзії (наприклад, яєчника); ( 2 ) у пухких тканинах (наприклад, ся кров’ю у ділянки, віддалені від місця первинної локалізації; легені), де кров має змогу скупчуватися в зоні інфаркту; (3) у тка Ч е р в о н і ін ф а р к т и (рис. 4.17, А) виникають: (1) при венозній більшість із них тромбоемболи. нинах із подвійним кровопостачанням, таких як тканина легень, • Тромбоемболія легеневої артерії переважно виникає при тонкої кишки, коли забезпечується мінімальна перфузія крові в тромбозі глибоких вен ни ж н іх кінцівок; її наслідки насам зону некрозу по колатеральних судинах; (4) у застійних тканинах перед залежать від розміру ембола та й о го локалізації. Д о (через недостатній венозний відтік); (5) якщ о кровотік відновлю наслідків належать правошлуночкова серцева недостатність, ється після інфаркту (наприклад, після ангіопластики артерії). легеневі крововиливи, інфаркт легень або раптова смерть. Біл і ін ф а р к т и утворю ю ться при артеріальній оклю зії у • Системні емболи передусім утворю ю ться із муральних або щ ільних органах, для я ки х характерне кровопостачання кін клапанних тромбів, тромбів при аневризмі аорти або тих, цевими артеріолами (наприклад, серце, селезінка й нирки), де щ о розміщені на атеросклеротичних бляшках; розвиток ін щільність тканини обмежує о б ’єм крові, щ о може п р о с о ч и ти фаркту тканин залежить від місця оклю зії та наявності або ся в зону іш ем ічного некрозу із сум іж ного капілярного русла відсутності колатерального кровообігу. • Ж ирова емболія може розвиватися після роздроблення кіс (рис. 4.17, Б). Такі інфаркти мають клиноподібну (трикутну) форму; у верхній частині зазвичай розміщена обтурована суди ток; проявляється дихальною недостатністю та неврологіч на, основу тр икутника формує периф ерична зона органа; якщ о ними розладами. А м ніотична емболія виникає після пологів і у цій зоні є серозна поверхня - можливе формування прилег може спричинити летальні поруш ення легеневого й м о зко лого ф ібринозного ексудату. Бічні частини вогнищ а інфаркту вого кровообігу. • П овітряна емболія можлива при швидкій декомпресії, най м ожуть бути нерівними як наслідок нерівном ірного кро во по с тачання від прилеглих судин. Гострий інфаркт нечітко відмежо частіше у водолазів; виникає внаслідок раптового вивільнен ваний червонуватою вузькою зоною ; із часом ця зона гіперемії ня бульбашок азоту, р о зчиненого в крові, при більш висо чітко визначається і являє с о б о ю один із елементів запалення. кому тиску. Інфаркти, щ о виникають унаслідок артеріальної оклю зії в органах без по двійно го кровопостачання, як правило, згодом бліднуть і більш чітко окреслюються (рис. 4.17, В). П орівняємо ІНФАРКТ їх із геморагічним и інфарктами, які виникають у легенях та ін ш и х паренхіматозних органах (див. рис. 4.17, А). Екстраваскулярні е р итр о ц ити при геморагічному інфаркті фагоцитуються Інфаркт - ділянка ішемічного некрозу, спричинена припиненням кровопостачання ураженої тканини. Інфаркт, насамперед той, що виникає в серці й мозку, є поширеною та надзвичайно важливою причиною розвитку хвороб. Близько 40 % усіх смертей у США зумовлені серцево-судинними захворюваннями, при чому більшість із цих смертей виникають у резуль таті інфаркту міокарда або інфаркту мозку. Інфаркт легень - це поширене клінічне ускладнення, інфаркт кишок часто буває летальним, а ішемічний некроз дис тального відділу кінцівок (гангрена) нерідко розвива ється при цукровому діабеті. Тромбоз артерій або артеріальна емболія зумовлюють переважну більшість інфарктів. До менш поширених причин обструкції належать вазоспазм, розширення ате роми, вторинної відносно кровотечі всередині бляшки, або зовнішня компресія судини (наприклад, пухлиною), розшарування аневризми аорти чи набряк в обмеженому просторі (наприклад, при передньому великогомілково му синдромі). Інколи причиною інфаркту слугує пере кручення судини (наприклад, перекручення яєчка або макрофагами, а гемоглобін перетворюється на внутріш ньоклі ти н ни й гемосидерин. Мала кількість гемосидерину не зумовлює будь-якого п о м ітн о го забарвлення тканин, тоді як накопичення значної кількості гемосидерину при великих крововиливах під вищує щільність тканини та забарвлює її в коричневий колір. У більшості тканин о сно вн о ю гістологічною ознакою ін фаркту є іш е м іч н и й к о а г у л я ц ій н и й н е к р о з (глава 2). Запа лення починає розвиватися вздовж країв інфаркту вже через кілька годин і зазвичай добре визначається через 1 -2 дні. За пальна реакція змінюється репарацією, яка розпочинається з неуш кодж еної паренхіми, розм іщ еної на краях інфаркту (гла ва 3). У д еяких тканинах дистрофія паренхіми може розвива тися на периферії інфаркту, де збереглася прилегла стромальна тканина. Більшість інфарктів зреш тою заміщується рубцем (рис. 4.18), за винятком інфарктів головного мозку, де ішемія тканини спричиняє к о л ік в а ц ій н и й н е к р о з (глава 2 ). С е п т и ч н і ін ф а р к т и виникають, якщ о колонії бактерій емболізуються біля клапана серця або якщ о мікроорганізми інфікують вогнищ е некрозу. У ц и х випадках інфаркт перетво рюється на абсцес з інтенсивніш ою запальною реакцією, п о дальшою організацією і розвитком фіброзу (глава 3). 119 ГЛАВА 4 Розлади гемодинаміки, тромбоемболія та шок Рис. 4 .1 7. Ч ер в о н і та білі інф аркти : А геморагічний клиноподібний інфаркт легені (червоний інфаркт). Б - чітко відмежований анемічний інфаркт у селезінці (білий інфаркт) V -;У* ,«•. ' .'*, '« .4 . % Ш'Лг/>Ь ; ,*/5^4-*. * ’ї Ж - ' ■І ' Ш ^ '< |іігі|іііі|!іі!|іііі|іііі|ігіі|ті|іі;і| СЕГУТІМЕТЕЯ5 * Рис. 4.18. С та р и й ф іб ро зн и м р уб ц е м ін ф а р кт нирки, з а м іщ е н и й • ють мінімальний кровотік, з'єднують три основні вінцеві артерії. Якщо одна вінцева артерія повільно закупорюється (наприклад, атеросклеротичною бляшкою), то кровотік у межах цієї колатеральної циркуляції може бути достатнім для запобігання розвитку інфаркту, навіть якщо відбудеться повна оклюзія ушкодженої вінцевої артерії. Ч у т л и в іс т ь т к а н и н д о г іп о к с ії. Нейрони зазнають необоротного ушкодження вже через 3-4 хв після припинення кровопостачання. Клітини міокарда більш стійкі до гіпоксії, ніж нейрони; вони гинуть через 20-30 хв після розвитку ішемії. Навпаки, фібробласти, які локалізуються в міокарді, зали шаються життєздатними протягом багатьох годин ішемії. вел иким РЕЗЮ МЕ ІНФАРКТ Чинники, що впливають на розвиток інфаркту Оклюзія судини може призвести до різних наслід ків - від мінімального ушкодження до некрозу тка нини, що зумовлює дисфункцію органа, а іноді - і смерть хворого. Основні чинники, від яких залежить розвиток інфаркту, наведено нижче: • А н а т о м ія с у д и н н о ї си ст ем и . Наявність або від сутність альтернативного кровопостачання є най важливішим чинником, який визначає наслідки оклюзії судини. Подвійне кровопостачання легень легеневими та бронховими артеріями означає, що обструкція легеневих артеріол не спричиняє інфаркт легень, якщо бронхове кровопостачання не порушене. Печінка, яка отримує кров із печінкової артерії та ворітної вени, а також кисть і передпліччя з подвійним кровопостачанням радіальною та лік тьовою артеріями відносно стійкі до інфаркту. На відміну від них нирки і селезінка мають артеріаль но-кінцеве кровопостачання, тому обструкція арте рій зазвичай призводить до інфаркту цих органів. • Ш в и д к іс т ь о к л ю з ії. Оклюзія, яка розвивається повільно, рідше спричиняє інфаркт, тому що є деякий час для розвитку альтернативного кола терального кровопостачання. Наприклад, дрібні міжартеріолярні анастомози, які в нормі забезпечу • Інфаркт - ділянка іш ем ічного некрозу, найчастіше зумовлена артеріальною оклю зією (щ о зазвичай є результатом тр о м б о зу або емболії); іноді може виникати внаслідок поруш ення венозного відтоку. • Інфаркти, зумовлені венозною оклю зією або ті, щ о виника ють у паренхіматозних тканинах, зазвичай є геморагічними (червоними); ті, щ о розвиваються внаслідок артеріальної оклю зії в ком пактних тканинах, як правило, є анемічними (білими). • С п р ичини ть оклюзія судини розвиток інфаркту чи ні, зале жить від особливостей кровопостачання органа, швидкості оклю зії судин і чутливості тканин до ішемії, а також від оксигенації крові. ШОК Шок - стан, при якому зменшується серцевий викид або ефективний об'єм циркулюючої крові, що погір шує тканинну перфузію та призводить до клітинної гіпоксії. Спочатку ушкодження клітин є оборотним, але тривалий шок зрештою спричиняє необоротне ушкодження тканин і часто є фатальним. Шок може ускладнювати тяжкі кровотечі, великі травми або опіки, інфаркт міокарда, емболію легеневої артерії та Ш ок Таблиця 4.1. Основні типи шоку Тип ш оку К л ін іч н і п р и к л а д и О с н о в н і п а т о г е н е т и ч н і м е х а н із м и Кардіогенний Інфаркт міокарда Розрив шлуночка серця Аритмія Тампонада серця Тромбоемболія легеневої артерії Недостатня скоротлива здатність міокарда як результат ушкодження, зовнішнього стиснення серця або обструкції шляхів відтоку Гіповолемічний Кровотеча Втрата рідини (наприклад, при блюванні, діареї, опіках або травмах) Неадекватний об’єм крові або плазми Септичний Переважно мікробні інфекції Грамнегативний сепсис Грампозитивна септицемія Грибковий сепсис Суперантигени (наприклад, синдром токсичного шоку) Периферична вазодилатація і секвестрація крові; акти вація/ушкодження ендотелію; ушкодження, спричинене лейкоцитами; ДВЗ-синдром; активація каскаду цитокінів мікробний сепсис. Причини шоку поділяють на три основні категорії (табл. 4.1): • К ардіогенний ш ок є результатом малого серцевого викиду внаслідок недостатньої скоротливої здатнос ті міокарда. Це може бути причиною ушкодження міокарда (інфаркт), шлуночкових аритмій, зовніш нього стиснення (тампонада серця; глава 12) або обструкції шляхів відтоку (наприклад, емболія леге невої артерії). • Гіповолемічний ш ок супроводжується малим сер цевим викидом через зменшення об'єму крові або плазми (наприклад, унаслідок кровотечі або втрати рідини після сильних опіків). • Септичний шок зумовлений мікробними інфекція ми та пов'язаний із розвитком синдрому системної запальної відповіді (ССЗВ, 5ІК5). Окрім інфекцій ССЗВ може супроводжувати опіки, травми і/або панкреатит. Загальним патогенетичним механізмом є масивне виділення клітинами природженого й набутого імунітету медіаторів запалення, що спри чиняють розширення артерій та секвестрацію крові. Ці серцево-судинні розлади призводять до тканинної гіпоперфузії, клітинної гіпоксії і метаболічних розла дів, що слугують причиною дисфункції органів, а при тяжкій і стійкій органній недостатності - смерті хворо го. Патогенез шоку детально обговорюється далі. Рідше шок може бути результатом зниження тонусу судин, зумовленого анестезією або вторинною травмою спинного мозку (нейрогенний шок). Анафілактичний шок виникає внаслідок системної вазодилатації та підви щеної проникності судин, що спричиняється реакцією гіперчутливості, опосередкованої І§Е (глава 5). Патогенез септичного шоку Септичний шок є причиною 2 % усіх випадків гос піталізації у США, із них 50 % хворих потребують лікування в закладах інтенсивної терапії. Кількість випадків септичного шоку у США перевищує 750 тис. на рік, при цьому захворюваність зростає. Це пов'язано з поліпшенням життєзабезпечення тяжкохворих, збіль шенням кількості осіб із набутими імунодефіцитами (як наслідок хіміотерапії, імуносупресії, похилого віку або ВІЛ-інфекції), а також із поширенням у стаціонарах мультирезистентних мікроорганізмів. Незважаючи на поліпшення лікування та догляду за хворими, смерт ність при септичному шоку варіює від 20 до ЗО %. Причиною септичного шоку зазвичай є грампозитивні бактерії, рідше - грамнегативні бактерії та гриб ки; тому стара назва «ендотоксичний шок» більше не відповідає дійсності. Здатність різних мікроорганізмів зумовлювати септич ний шок узгоджується із фактом ініціації процесу кілько ма мікробними компонентами. Макрофаги, нейтрофіли, дендритні клітини, ендотеліальні клітини та розчинні компоненти природженої імунної системи (наприклад, системи комплементу) розпізнаються й активуються кількома субстанціями мікроорганізмів (глава 3). Після активації зазначені клітини та фактори ініціюють низку запальних реакцій, спричинюючи розвиток септичного шоку й поліорганну недостатність; механізми розвитку цих процесів поки що незрозумілі (рис. 4.19). Нижче наведено чинники, які вважають основними в патогенезі септичного шоку: • З ап альн і т а прот изапальні реакції. При сепсисі різні компоненти клітинної оболонки мікроорганіз мів зв'язуються з рецепторами клітин природженої імунної системи, спричинюючи запальні реакції. Ініціацію запалення при сепсисі здійснюють сиг нальні шляхи, розташовані нижче від Тоїі-подібних рецепторів (ТЬК; глава 5), які розпізнають безліч мікробних субстанцій, що містять так звані патогенасоційовані молекулярні патерни (РАМР), а також протеїн С-зв'язані рецептори, які ідентифікують бактеріальні пептиди, і С-подібні пектинові рецеп тори, зокрема дектини. Унаслідок активації імунних клітин синтезуються численні цитокіни, включаючи ТИР, ІЬ-1, ІРЇчГ-у, ІЬ-12 та ІЬ-18, а також інші медіа тори запалення, такі як високомобільний груповий білок-1 (НМСВ1). Також підвищується рівень мар керів гострого запалення - СРБ і прокальцитоніну; останній використовують як індикатор при діагнос тиці септичного шоку. Окрім того, у патогенезі сеп тичного шоку беруть участь активні форми кисню (АФК), ліпідні медіатори, зокрема простагландини, і фактор активації тромбоцитів. Ці ефекторні моле кули індукують ендотеліальні клітини (й інші типи клітин) до експресії адгезивних молекул та додатко во стимулюють продукування цитокінів і хемокінів. Система комплементі/ також активується мікробни ми компонентами як безпосередньо, так і через про теолітичну активність плазміну (глава 3), у резуль таті чого утворюються анафілотоксини (СЗа, С5а), хемотаксичні фрагменти (С5а) й опсоніни (СЗЬ), зумовлюючи процеси, що передують запаленню. 121 ГЛАВА 4 Розлади гемодинаміки, тромбоемболія та шок Патоген-асоційовані Рис. 4.19. О сно в ні п а т о ге н е т и ч н і м е х а н ізм и с е п т и ч н о го ш о ку . М ікробні продукти активують ендотеліальні клітини та клітинні й гумо ральні елементи природженого імунітету, ініціюючи каскад процесів, які зрештою призводять до розвитку поліорганної недостатності (див. текст). ДВЗ - дисеміноване внутрішньосудинне згортання; НМСВ1 - високомобільний груповий білок-1; N 0 - оксид азоту; РАГ - фактор активації тромбоцитів; 5ТИРК - розчинний рецептор фактору некрозу пухлини; ТРРІ - інгібітор шляху тканинного фактору Окрім того, мікробні компоненти можуть активу вати коагуляцію; безпосередньо - через фактор XII й опосередковано - через зміну функції ендотелію (див. далі). Супутня поширена активація тромбіну може додатково посилити запалення шляхом сти муляції протеаз-активованих рецепторів на запаль них клітинах. Гіперзапальний стан, що розвивається при сепсисі, індукує антирегуляторні імуносупресорні механізми, до яких залучаються клітини природже ного і набутого імунітету. Як наслідок, клінічний перебіг сепсису може характеризуватися розвитком як гіперзапальних, так й імунодепресивних станів. Можливі механізми розвитку імунної супресії пред ставлені переключенням синтезу прозапального (ТЬІ) цитокіну на протизапальний (ТЬ2) цитокін (глава 5), продукуванням протизапальних медіато рів (наприклад, розчинного ТNР-рецептора, антаго ніста рецепторів ІЬ-1 та ІЬ-10), апоптозом лімфоци тів, імуносупресивним ефектом апоптичних клітин та індукцією клітинної анергії, у деяких пацієнтів контрарегуляторні механізми перевищують силу запальних реакцій, що робить таких хворих сприй нятливими до суперінфекцій. • А кт ивація ен дот елію т а його уш кодж ення. Прозапальний стан й активація ендотеліальних клітин при сепсисі призводять до підвищення про никності судин та набряку тканин, що негативно впливає на клітинний і тканинний метаболізм. Цьому сприяє один із ефектів запальних цитокінів, а саме ослаблення жорстких з'єднань ендотеліаль них клітин, що і є причиною підвищення проник ності судин та набряку з накопиченням рідини, яка містить багато білків. Це перешкоджає перфузії тканин, а при спробі підтримувати стан хворого внутрішньовенним уведенням рідини - погіршує її. Активований ендотелій регулює продукування оксиду азоту (N 0) та інших вазоактивних медіа торів запалення (наприклад, СЗа, С5а та РАР), що сприяє релаксації гладких м'язів судин та розвитку системної гіпотензії. • Індукція п рокоагулян т ного стану. Майже у поло вини хворих на сепсис унаслідок патологічних змін системи згортання крові розвивається тяжке усклад нення - ДВЗ-синдром. Сепсис змінює експресію багатьох факторів згортання. Прозапальні цитокі ни посилюють продукування тканинного фактору моноцитами та, можливо, ендотеліальними кліти нами, і пригнічують синтез ендотеліальних антикоагулянтних факторів, таких як інгібітор шляху тканинного фактору, тромбомодулін та протеїн С (див. рис. 4.11). Бони також пригнічують фібрино ліз, посилюючи експресію інгібітора активатора плазміногену (див. рис. 4.10). Підвищення проник Ш ок ності судин та набряк тканини сповільнюють кро вотік у мікроциркуляторному руслі, що проявля ється стазом і, як наслідок, зниженням інтенсивності вивільнення активованих факторів згортання. Це спричиняє системну активацію тромбіну й утворен ня фібринових тромбів у мікросудинах, зазвичай у всьому організмі, що ще більше погіршує перфузію тканин. При ДВЗ-синдромі споживання факторів згортання і тромбоцитів настільки велике, що при зводить до їх дефіциту із подальшим виникненням кровотеч та крововиливів (глава 12). • М ет аболічні розлади . При сепсисі розвивають ся резистентність до інсуліну й гіперглікемія. Цитокіни, такі як Т№Р та ІЬ-1, стрес-індуковані гор мони (глюкагон, гормон росту та глюкокортикощи) і катехоламіни посилюють глюконеогенез. Водночас прозапальні цитокіни пригнічують вивільнення інсуліну, тим самим підвищуючи резистентність до нього у печінці та інших тканинах шляхом гальму вання поверхневої експресії С Ш Т 4 - транспортера глюкози. Гіперглікемія знижує функцію нейтро філів, у такий спосіб пригнічуючи бактерицидну активність, і посилює експресію ендотеліальних адгезивних молекул. Незважаючи на те що при сепсисі рівень глюкокортикоїДів спочатку різко підвищується, у цій стадії часто розвиваються недо статність надниркових залоз та виражений дефіцит глюкокортикоїдів. Це може бути зумовлено зни женням здатності інтактних надниркових залоз до синтезу глюкокортикоїдів або поширеним некро зом надниркових залоз унаслідок ДВЗ-синдрому (ісиндром Уотерхауза-Фрідеріксена; глава 20). Нарешті, клітинна гіпоксія та сповільнення окисного фосфорилювання призводять до надмірного синтезу лактату й лактатацидозу. • Д исф ункція органа. Системна гіпотензія, інтерстиційний набряк і тромбоз мікроциркуляторного русла зменшують транспорт кисню та поживних речовин у тканини, які через клітинну гіпоксію не в змозі належним чином використовувати й ті пожив ні речовини, що доставляються. Ушкодження мітохондрій унаслідок оксидантного стресу погіршує використання кисню. Високий рівень цитокінів і вторинних медіаторів знижує скоротливу здатність міокарда й серцевий викид, підвищена проникність судин та ушкодження ендотелію можуть призвести до розвитку гострого респіраторного дистрес-синдрому (глава 13). Зрештою, це спричиняє поліорганну недостатність, зокрема нирок, печінки, легень і сер ця, що закінчується смертю хворого. Тяжкість та наслідки септичного шоку, ймовірно, залежать від тяжкості й вірулентності інфекції; імунно го статусу організму людини; наявності інших супут ніх патологічних станів; кількості та якості медіаторів. Численність факторів і їх комплексна взаємодія, що лежать в основі розвитку сепсису, пояснюють, чому внутрішньовенне застосування антагоністів специфіч них медіаторів може бути не тільки неефективним, але в деяких ситуаціях навіть спричинює шкідливу дію. Стандарти лікування включають застосування антибіотиків для ерадикації основної інфекції, вну трішньовенне введення рідини та оксигенотерапію для підтримання артеріального тиску й обмеження тканинної гіпоксії. Слід наголосити, що навіть у най кращих медичних центрах септичний шок є складною клінічною ситуацією. Додаткова група бактеріальних білків, які нази вають суперантигенами, також спричинює синдром, близький до септичного шоку (наприклад, синдром токсичного шоку). Суперантигени - це поліклональні активатори Т-лімфоцитів, які зумовлюють вивільнення великої кількості цитокінів, що призводить до появи різних клінічних симптомів, починаючи від дифузної кропив'янки до вазодилатації, артеріальної гіпотензії, шоку і смерті хворого. Стадії шоку Шок - це прогресивний патологічний процес, який без адекватної терапії має летальний наслідок. Механізми розвитку смерті при сепсисі ще до кінця не з'ясовані; апоптоз лімфоцитів й ентероцитів посилюється, тоді як некроз клітин є мінімальним. Смерть хворого, як правило, зумовлена поліорганною недостатністю, при цьому зазвичай немає чітких морфологічних змін в органах, які б пояснювали їх дисфункцію. Тим не менше, механізми розвитку гіповолемічного та кардіогенного шоку досить добре вивчені. Якщо тільки це не масивний інсульт, який швидко розвивається і спричиняє смерть хворого (наприклад, при масивній кровотечі внаслідок розриву аневризми аорти), пере біг шоку має кілька стадій (хоча поділ на стадії трохи штучний). Ці стадії розвитку найкраще описано при гіповолемічному шоку, але вони є загальними для інших форм шоку: • П оч ат кова непрогреснвна ст адія, під час якої акти вуються рефлекторні компенсаторні механізми і підтримується перфузія життєво важливих органів. • П рогресивна ст адія, що характеризується тканин ною гіпоперфузією і першими проявами циркуляторного та метаболічного дисбалансу, у тому числі ацидозу. • Н еобор от н а ст адія, при якій ушкодження клітин і тканин настільки виражене, що навіть після усунен ня розладів гемодинаміки хворий помирає. У початковій непрогресивній стадії шоку різні нейрогуморальні механізми підтримують серцевий викид й артеріальний тиск. До цих механізмів нале жать: рефлекси барорецепторів, вивільнення катехоламінів та антидіуретичного гормону, активація РААС і генералізована стимуляція симпатичної частини нер вової системи. Результатом такого впливу є тахікардія, периферична вазоконстрикція та затримка рідини нирками; вазоконстрикція у шкірі, наприклад, про являється «шоковою» шкірою - холодна й бліда шкіра (хоча нерідко при септичному шоку судини шкіри спо чатку розширюються, тому шкіра тепла і почервоніла). Вінцеві й мозкові судини менш чутливі до симпатичної стимуляції, що дає змогу підтримувати відносно нор мальний кровотік і доставку кисню. Отже, відбувається перерозподіл крові від шкіри до життєво важливих органів, таких як серце і головний мозок. Якщо своєчасно не призначити лікування, настає прогресивна стадія шоку, яка характеризується вира женою тканинною гіпоксією. В умовах постійного дефіциту кисню внутрішньоклітинне аеробне дихан 123 124 ГЛАВА 4 Розлади гемодинаміки, тромбоемболія та шок ня заміщається анаеробним гліколізом із надмірним продукуванням молочної кислоти. У результаті розви вається лактатацидоз, що призводить до зниження рН тканин й ослаблення вазомоторної реакції; артеріоли розширюються і кров скупчується в мікроциркуляторному руслі. Периферична секвестрація не тільки зменшує серцевий викид, а й створює умови для аноксидного ушкодження ендотелію з подальшим розвит ком ДВЗ-синдрому. Прогресування тканинної гіпоксії погіршує функцію життєво важливих органів аж до їх декомпенсації. За відсутності належного втручання або в тяжких випадках розвивається необоротна стадія шоку. Значне ушкодження клітин проявляється вивільненням лізо сомальних ферментів, ще більше посилюючи шок. Скоротлива здатність міокарда погіршується, частково через надмірний синтез N 0 . Ішемія кишок може спри чинити потрапляння кишкової мікрофлори у крово носне русло, що призведе до розвитку ендотоксичного шоку. Як правило, подальше прогресування ниркової недостатності, яка виникає внаслідок ішемії нирок (глава 14), закінчується смертю хворого незважаючи на застосування сучасної терапії. М О Р Ф О Л О Г ІЯ Зміни клітин і тканин, щ о розвиваються при шоку, є резуль татом гіпо ксії (глава 2 ) унаслідок поєднання г іп о п е р ф у з ії та т р о м б о з у м ік р о ц и р к у л я т о р н о г о русла. П ри ш о ку ви никає поліорганна недостатність; як правило, найбільше у ш ко джуються головний мозок, серце, нирки, надниркові залози і травний тракт. Ф іб р и н о в і т р о м б и можуть утворюватися в мікросудинах будь-якої тканини, але зазвичай вони чітко візуалізуються в н и рков их клубочках. Л іп ід н е в и с н а ж е н н я клі тин кори над ниркових залоз подібне до та ко го при всіх ф ор мах стресу й відображає посилене використання на копичених ліпідів для синтезу стероїдів. Незважаючи на те щ о легені стійкі до гіпоксії, гіповолемічний ш ок, який розвивається після кр о в о течі, при сепсисі або травмі, може призвести до диф узного ура ження альвеол (глава 13), яке отримало назву « ш о к о в а л е г е н я » . Я кщ о пацієнт виживає, уражені тканини можуть повністю відновитися, за винятком втрачених нейронів і кардіоміоцитів. Клінічні особливості Клінічні прояви шоку залежать від тяжкості ушко дження. При гіповолемічному й кардіогенному шоку відзначаються артеріальна гіпотензія, слабкий частий пульс, тахіпное і холодна липка шкіра з ознаками ціа нозу. При септичному шоку шкіра нерідко тепла й почерво ніла в результаті периферичної вазодилатації. Початкову загрозу для життя представляє первинне порушення, що призвело до шоку (наприклад, інфаркт міокарда, тяжка кровотеча або бактеріальна інфекція). Однак зміни в серці, головному мозку й легенях швидко і сут тєво погіршують стан пацієнта. Якщо хворі виживають після початкової стадії, за відсутності лікування шок переходить у другу стадію із розвитком ниркової недо статності та прогресивної олігурії, ацидозу і порушен ня балансу електролітів. Прогноз залежить від причини шоку та його три валості. Понад 90 % молодих і відносно здорових пацієнтів із гіповолемічним шоком виживають при відповідному лікуванні, тоді як при септичному й кар діогенному шоку навіть у разі адекватного лікування рівень смертності високий. РЕЗЮ МЕ • Ш о к - це системна гіпоперф узія тканин унаслідок зменшен ня серцевого викиду і/або еф ективного об'єму циркулю ю чої крові. • О сновним и типами ш оку є кардіогенний (наприклад, при інфаркті міокарда), гіповолемічний (наприклад, при кр о во втраті) та септичний (при інфекціях). • Ш о к усіх типів за відсутності лікування проявляється тка н ин н о ю гіпоксією . • С е п тични й ш ок, спричинений реакцією організму людини на бактеріальні або грибкові інфекції, характеризується ак тивацією ендотеліальних клітин, вазодилатацією, набряком, Д ВЗ -синдром ом та метаболічними розладами. РЕК О М ЕН Д О В А Н А Л ІТ ЕРА Т У РА АкНіаг 5. Раї е т Ь о ііз т / 5. АкЬіаг // АпезіЬезіоІ Сііп 27:533, 2009. [Новітній огляд патогенезу та клінічних проблем синдрому жирової емболії.] АІЬегеІІі М.А. Рипсйопаї гоїе о і ргоіеазе асііуаіесі гесеріогз іп уазсиїаг Ьіо1о§у / М.А. АІЬегеІІі, Е. іЬе Сапсііа / / Уазсиі РЬагшасоІ 62:7281, 2014. [Вичерпний огляд ролі, яку відіграють ПАР при гемостазі.] Ап$из О.С. Зєуєгє зерзіз апсі зеріїс зЬоск / О.С. Апциз, Т. уап сіег Роїі // N Еп§1 ] Месі 840:2013. [Вичерпний огляд клінічних особли востей, патогенезу та наслідків септичного шоку.] Вепзоп М.О. Сиггепі сопсеріз о і іштипо1о§у апсі сііа^позія іп атп іоііс Яиісі е т Ь о ііз т / М.О. Вепзоп // Сііп Оеу Іт т и п о І сіоі:10.1155/2012/946576:2012. [Обговорення патофізіології емболії амніотичною рідиною.] Сагосиіі К.А. Зеуеге зерзіз апсі зерііс зЬоск: сііпісаі о у є г у іє ш апсі ирсіаіе оп т а п а ^ е т е п і / К.А. СатесиМ, 5.С. Реіегз / / Мауо Сііп Ргос 89:1572, 2014. [Стислий клінічний огляд проблеми сепсису.] СНартап ].С. РіЬгіпоІузіз апсі іЬе сопігої о£ Ьіоосі соа§и1аііоп / І.С. СНартап, К.А. Надоаг // Віоосі Кеу 29:17, 2015. [Оновлене обговорення фібринолізу та його ролі в регуляції процесів згортання.] Скаїитейі 5. Кесепі асіуапсез іп йіе апіірЬозрЬоіірісі апііЬосіу зупсіготе / 5. СЬаіигуесіі, К К . МсСгае // Сигг Оріп Н етаіоі 21:371, 2014. [Обговорення патофізіології важливого та складного антифосфоліпідного синдрому.] Соїетап О.М. Црсіаіе іп уепоиз Й іготЬоетЬоІізт: раіЬорЬузіо1о§у, сііа^позіз, апсі ігеаітеп і (ог зиг§ісаі райепіз / О.М. Соїетап, А. ОЬі, Р.К. Непке // Сигг РгоЬІ 5иг§ 52:233, 2015. [Вичерпний огляд цього загального клінічного стану.] ЕІІегу Р.Е. Тіззие £асІог раіЬ\уау іпЬіЬііог: іЬеп апсі по\у / Р.Е. ЕИегу, М І. А сіатз // 5 е т іп ТЬготЬ Н е т о зі 40:881, 2014. [Сучасне розу міння ролі тканинного фактору при коагуляції.] Езтоп С.Т. ТЬе Ііпк Ьеішееп уазсиїаг £еаіигез апсі іЬготЬозіз / С.Т. Е зтоп , ІЧІХ. Е зт о п // Аппи Кеу РЬузіоІ 2011. [Цікавий огляд взаємодій ендотелію, кровотоку та гемостазу / тромбозу.] Сгеіпасігег А. Нерагіп іпсіисесі іЬготЬосуіорепіа / А. СгеіпасЬег / / N Еп§1 ] Месі 373:3, 2015. [Сучасна інформація про цей поширений та загадковий стан.] Іп іііуо гоіез оі (асіог XII / Т. Кеппе, А.Н. ЗсЬтаіег, К.р. №ске1 еі аі. / / Віоосі 120:4296-4303,2012. [Огляд, що узагальнює нове розу міння ще невизначених функцій іп гіг>о фактору XII при тромбозах та біології судин.] Иеш їипсіатепіаіз іп Ь ето зіазіз / Н.Н. Уегзіее§, ].\¥.М. Н еетзкегк, М. Ьєуі еі аі. // РЬузіоІ Кеу 93:327,2013. [Нові дані стосовно деяких питань гемостазу.] ОзіпЬоюаІе О. Уепоиз іЬ го тЬ о е тЬ о Іізт: а сііпісаі гєуієто / О. ОзіпЬоууаІе, Ь. АІі, У.М. СЬі // Розі^гасі Месі 122:54, 2010. [Хороший огляд на рівні студента-медика або лікаря-інтерна.] Као Ь.У.М. ЕпсІоіЬеііаі сеІІ ргоіеіп С гесеріог: а тиШ1і§апсіес1 апсі тиіііїипсііопаі гесеріог / Ь.У.М. Као, С.Т. Е зо т , ІІ.К. РепсіигіЬі // Віоосі 124:1553, 2014. [Обговорення ролі протеїн С-рецептора в обме женій коагуляції.] Г ЛАВА Г Захворювання імунної системи --------------------------------------- основний ЗМІСТ Нормальна імунна відповідь Природжений імунітет Набутий імунітет Класифікація реакцій гіперчутливості 125 (типі) 128 Клітини і тканини імунної системи Лімфоцити 128 Антигенопрезентувальні клітини 132 Захоплення і презентація антигенів 135 Клітинний імунітет: активація Т-лімфоцитів та елімінація внутрішньоклітинних мікроорганізмів А утоім унні захворювання Імунна толерантність тканини тканин 139 васкуліти Епідеміологія 163 Клінічні прояви СНІДу 164 Амілоїдоз 179 180 Виникнення і перебіг ВІЛ-інфекцїї 163 177 179 179 Патогенез ВІЛ-інфекцїї та СНІДу 155 181 183 186 189 Патогенез формування депозитів 16 7 167 амілоїду 189 Класифікація амілоїдозу і механізмів Вузликовий поліартеріїт та інші 139 174 С индром набутого імунодефіциту Змішане захворювання сполучної опосередковане уш кодж ення Причини реакцій гіперчутливості 150 Системний склероз (склеродермія) Запальні міопатії 173 Вторинні (набуті) імунодефіцити Властивості ВІЛ Синдром Шегрена 138 150 152 мікроорганізмів пам’яті 111 Порушення природженого імунітету 147 Механізми аутоімунітету: загальні Ревматоїдний артрит Реакції гіперчутливості: імуно- стовбурових клітин Первинні (спадкові) імунодефіцити Т-клітинно-опосередковані хвороби В-лімфоцитів та елімінація позаклітинних 13 7 16 7 С индром и імунодеф іциту 144 Системний червоний вовчак Ослаблення імунних реакцій та імунологічної 167 алотрансплантатів Імунокомплексні хвороби (гіперчутливість принципи 135 Гуморальний імунітет: активація 167 Відторгнення трансплантата Трансплантація гемопоетичних 143 (гіперчутливість IV типу) 135 І§С4-асоційоване захворювання Розпізнавання і відторгнення Антитіло-опосередковані хвороби III типу) 133 Активація лімфоцитів та адаптивні імунні реакції 140 (гіперчутливість II типу) 128 Лімфоїдна тканина 140 Гіперчутливість негайного типу 126 формування амілоїду 189 16 7 Імунітет забезпечує захист від інфекцій. Імунна сис тема представлена сукупністю клітин і молекул, які відповідають за захист організму від незліченних збуд ників, з якими зустрічається людина. Дефекти імунної системи роблять людину сприйнятливою до інфекцій і є причиною імунодефіцитних хвороб. Водночас імунна система сама здатна зумовлювати ушкодження тканин і хвороби, які часто називають реакціями гіперчутливості. Ця глава присвячена захворюванням, причиною яких слугує знижений імунітет або занадто висока імунна реактивність. Також розглянемо амілоїдоз хворобу, при якій утворюється аномальний білок. Як правило, цей білок походить із фрагментів антитіл або утворюється й акумулюється в тканинах при хронічних запальних захворюваннях. Насамперед розглянемо деякі важливі особливості нормальних імунних реак цій, щоб забезпечити основу для розуміння порушень, які зумовлюють розвиток імунних захворювань. Н О Р М А Л Ь Н А ІМ У Н Н А В ІД П О В ІД Ь Захист від патогенних мікроорганізмів складається із двох типів реакцій (рис. 5.1). П риродний імунітет забезпечують клітини і білки, які завжди наявні в організмі (звідси термін «природжений імунітет») й готові реагувати на інфекційні збудники. Такі меха нізми запускаються негайно у відповідь на інфекцію, забезпечуючи першу лінію захисту. Деякі з них також беруть участь в очищенні організму від ушкоджених клітин і тканин. Важливою реакцією природженого імунітету є запалення (глава 3). У процесі еволюції багато інфекційних збудників пристосувались та набули здатності протистояти при родженому імунітету, тому захист від таких інфекцій потребує більш специфічних і потужних механізмів н абут ого ім уніт ет у (або специфічного, адаптивного іму- ГЛАВА 5 Захворювання імунної системи ПРИРОДЖЕНИЙ ІМУНІТЕТ НАБУТИЙ ІМУНІТЕТ В-лімфоцити Епітеліальний бар'єр Т-лімфоцити %=ішГ Система комплементу Дендритні клітини МК-клітини Години ------------- ------------------- -п— — — /7 - — 6 Ефекторні 1№ ї Т-клітини Дні - — --------------г -■ ‘ ------------- і----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1— 12 1 З Час після інфікування -------------------------------------------------------------------------------------------------Рис. 5.1. О сно в ні к о м п о н е н т и і м е х а н ізм и п р и р о д ж е н о ї т а а д а п т и в н о ї л ано к ім у н н о ї с истем и. МК-клітини нітету). Набутий імунітет у нормі зазвичай не про являється й ініціюється у відповідь на проникнення інфекційних агентів, створюючи потужні механізми для нейтралізації та елімінації патогенних мікро організмів. Як правило, терміни «імунна система» й «імунна відповідь» характеризують набутий імунітет. П рироджений імунітет Основними компонентами природженого імунітету є епітеліальні бар'єри, які блокують проникнення мікро організмів, фагоцитарні клітини (переважно нейтрофі ли та макрофаги), дендритні клітини, природні кілери (ІМК), деякі білки плазми, включаючи білки системи комплементу. Клітини, що забезпечують природже ний імунітет, обговорюються далі у цій главі; функції системи комплементу розглянуто у главі 3. Фагоцити, дендритні клітини, епітеліальні кліти ни та багато інших експресують рецептори, які реа гують на наявність інфекційних агентів і речовин, виділених із некротичних клітин. Структури мікро організмів, які розпізнаються цими рецепторами, нази вають патоген-асоційованими молекулярними патернами (РАМР); вони спільні в мікроорганізмів одного типу і мають важливе значення для їх виживання та збере ження патогенних властивостей (навіть мутація РАМР дає змогу мікробам уникнути розпізнавання клітина ми природженого імунітету). Речовини, що вивільня ються з ушкоджених і некротичних клітин, отримали назву молекулярних патернів, асоційованих з ушкодженням (ОАМР). Клітинні рецептори, які розпізнають такі молекули, часто називають патерн-розпізнавальними рецепторами (РКК). Вважають, що для функціонування природженого імунітету використовується близько 100 різних рецепторів для розпізнавання 1000 молеку лярних патернів. Рецептори природженого імунітету Патерн-розпізнавальні рецептори розміщені в тих клітинних компартментах, де можуть локалізува природні кілери тися мікроорганізми: так, рецептори плазматичної мембрани виявляють позаклітинні інфекційні аген ти, ендосомальні рецептори розпізнають фагоцитовані збудники, а цитозольні рецептори ідентифіку ють їх у цитоплазмі (рис. 5.2). Виявлено декілька класів цих рецепторів. ТоІІ-подібні рецептори Найбільш відомі рецептори для розпізнавання зазна чених молекулярних патернів - це ТоІІ-подібні рецепто ри (ТЬК). У ссавців є 10 ТЬК, які розпізнають широкий спектр мікробних молекул. ТЬК, розміщені на плазма тичних мембранах, розпізнають такі бактеріальні про дукти, як ліпополісахариди, а ендосомальні ТЬК визна чають вірусні й бактеріальні РНК і ДНК (див. рис. 5.2). Розпізнавання мікроорганізмів за допомогою цих рецепторів призводить до активації факторів транс крипції, що стимулює продукування кількох секре торних і мембранних білків, у тому числі - медіаторів запалення, противірусних цитокінів (інтерферонів) та білків, які сприяють активації лімфоцитів і стимулю ють більш потужні відповіді набутого імунітету. ІЧОО-подібні рецептори та інфламасома ІМОП-подібні рецептори (ІМЬК) є цитозольними рецеп торами й отримали свою назву після відкриття пер ших представників цього сімейства - N 0 0 -1 і N 0 0 -2 (нуклеотид-зв'язувальний домен олігомеризацй). Вони розпізнають широкий спектр речовин, включаючи продукти некротичних клітин (наприклад, сечову кислоту та вивільнений АТФ), дисбаланс йонів (напри клад, втрату К+) і деякі мікробні продукти. Як само це сімейство рецепторів розпізнає численні й різноманіт ні ознаки небезпеки або ушкодження - невідомо. Деякі сигнали ІМЬК запускаються через цитозольний біл ковий комплекс - інфламасому. Цей комплекс активує фермент каспазу-1, яка розщеплює неактивну форму ІЬ-1 до утворення біологічно активної форми (рис. 5.3). Як вже обговорювалось у главі З, ІЬ-1 є медіатором запа лення, що контролює активність лейкоцитів та індукує Нормальна імунна відповідь Патогенна бактерія АТФ ПОЗАКЛІТИННИЙ МАТРИКС Бактеріальні продукти К+ Плазмолема МІ.РР-3 (сенсор) Бактеріальні продукти Кристали Вихід К+ Активні форми кисню Адаптер ЦИТОЗОЛЬНІ ЕНДОСОМАЛЬНІ Каспаза-1 (неактивна форма) МСЮ-подібний рецептор Нуклеїнові '% кислоти фагоцитованих мікроорганізмів Зг Бактеріальний глікопептид, що утворюється при ушкодженні клітин Сигнали від ТІ_К, інших рецепторів ІМІ.РР-3 інфламасома РНК вірусу РІС-подібт ний рецептор тор т с2 О С Ш З Каспаза-1 (активна форма) Ендосомальна мембрана 8888888888888888888888888888І8 8688ШШ888ііь . 448188* Рис. 5.2. Клітинні р ецеп то ри д о м ікробів і п р о дукти загиблих клітин. Фагоцити, дендритні клітини та багато типів епітеліальних клітин експресують різні класи рецепторів, які розпізнають наявність мікробів і мертвих клітин. ТоІІ-подібні рецептори (ТІ_В.) локалізовані в різних части нах клітини, як й інші цитоплазматичні та мембранні рецептори, розпіз нають продукти життєдіяльності різних класів мікробів. Основним класом рецепторів природженого імунітету є ТІ_К, І\ІСЮ-подібні рецептори в цитозолі, лектинові рецептори типу С, КІС-подібні рецептори до РНК вірусів, названі за першим представником Р.ІС-1, і цитозольні ДНК-сенсори гіпертермію. Саіп-о£-£ипсіїоп мутації в одному із МІ.К призводять до періодичного виникнення гарячки аутозапальних синдромів, які дуже добре підцаються лікуванню антагоністами ІЬ-1. ІМЬК-інфламасомний шлях також може відігравати певну роль при деяких хронічних запальних захворюваннях. Наприклад, розпізнавання кристалів уратів Г\]ЬК є причиною запа лення при подагрі. Ці рецептори можуть виявляти і реагувати на ліпіди та кристали холестерину, які аку мулюються в тканинах в аномально великих кількос тях; отже, запалення можуть спричинити асоційований з ожирінням цукровий діабет 2-го типу й атеросклероз. Інші рецептори мікробних продуктів Лектинові рецептори типу С (СЬК) експресуються на плазматичних мембранах макрофагів та дендритних клітин, реагують на грибкові глікани і зумовлюють розвиток запальних реакцій. Кілька цитозольних рецепторів виявляють нуклеїнові кислоти вірусів, що реплікуються в цитоплазмі інфікованих клітин, і сти мулюють синтез противірусних цитокінів. Рецептори, з'єднані із протеїном С на нейтрофілах, макрофагах та більшості інших типів лейкоцитів, виявляють короткі бактеріальні пептиди, що містять ІМ-формтметіошн. Оскільки всі бактеріальні білки та деякі протеїни ссавців (тільки ті, що синтезуються в мітохондріях) ініціюються Активація гена п р о -ІП Р 1 еґ Ядро Продукування І П (5 Гостре запалення __ _________ Рис. 5.3. Інф ламасома. Це протеїновий комплекс, що розпізнає продукти загиблих клітин і деякі мікроби й індукує секрецію біологіч но активного І П . Вона містить численні копії сенсорних білків (про теїнів, багатих на лейцин, які називають N1Р.Р-3), адапторів і фермент каспазу-1, який конвертується із неактивної в активну форму. Структура інфламасоми на малюнку спрощена до відомих кристалічних структур. Формування інфламасоми відбувається за допомогою пріон-подібного механізму поширення, в якому один білок, що був попередньо активо ваним, запускає конформаційні зміни в інших білках того самого типу. У результаті - активація та збирання великої кількості ідентичних поліпеп тидів, що утворюють ниткоподібні жмутки адаптерів і ферментів М-формілметіоніном, рецептор, з'єднаний із протеї ном С, дає змогу нейтрофілам виявляти бактеріальні біл ки та стимулює процеси хемотаксису. Манозні рецепто ри розпізнають мікробні полісахариди (які часто містять кінцеві залишки манози, на відміну від глікопротеїДів ссавців) й індукують фагоцитоз мікроорганізмів. Окрім того, два сімейства цитозольних рецепторів, одне з яких назване за першим представником КІС-І (див. с. 236), а інше - цитозольними ДНК-сенсорами, розпізнають мікробні РНК та ДНК відповідно. Реакції природженого імунітету Природжена імунна система забезпечує захист організ му шляхом реалізації таких двох основних реакцій: • Запалення. Цитокіни, продукти активації системи комплементу та інші медіатори, що утворюються під час природжених імунних реакцій, зумовлюють розвиток судинних і клітинних компонентів запа лення. Активовані лейкоцити знищують патогенні 127 128 ГЛАВА 5 Захворювання імунної системи мікроорганізми, а також елімінують ушкоджені клі тини. Ця реакція була описана у главі 3. • Ант ивірусний захист. Інтерферони І типу синте зуються у відповідь на вірусну інфекцію, діють на інфіковані й неінфіковані клітини та активують ферменти, які розщеплюють нуклеїнові кислоти вірусів і гальмують їх реплікацію. Окрім цих захисних функцій природжена імунна система генерує сигнали, які стимулюють наступну, більш потужну відповідь набутого імунітету. Деякі із цих сигналів описано нижче. Набутий імунітет Адаптивна імунна система представлена лімфоцитами і продуктами їх життєдіяльності, включаючи антитіла. На відміну від обмеженого потенціалу природженого імунітету, адаптивна імунна система може розпізнава ти значно ширший спектр чужорідних агентів. Існує два типи набутого імунітету: гуморальний імунітет, представлений розчинними білками - анти тілами, що продукуються В-лімфоцитами (які також називають В-кліт инами), і клітинний імунітет, представлений Т-лімфоцитами (які також назива ють Т-клітинами). Антитіла забезпечують захист від позаклітинних патогенних чинників у крові, слизо вих оболонках та тканинах. Т-лімфоцити важливі для захисту від внутрішньоклітинних мікроорганізмів і здійснюють безпосереднє знищення інфікованих клі тин (за допомогою цитотоксичних Т-лімфоцитів) або активують фагоцитоз шляхом утворення розчинних білкових медіаторів - цитокінів (які виробляються Т-хелперами) і сприяють елімінації внутрішньоклітин них мікроорганізмів. Далі ми розглянемо основні властивості та функції клітин імунної системи. КЛІТИНИ І ТКАНИНИ СИСТЕМИ імунної Клітини імунної системи представлені лімфоцита ми, більшість з яких мають специфічні рецептори до антигенів та підтримують адаптивні (набуті) імунні реакції; спеціалізованими антигенопрезентувальними клітинами, які захоплюють і представляють мікробні та інші антигени лімфоцитам; ефекторними клітинами, функцією яких є елімінація мікробів та інших антигенів. До важливих особливостей імун ної системи належать експресія дуже різноманітних і специфічних антигенних рецепторів на В- і Т-клітинах; спеціалізація клітин, що уможливлює виконання ними багатьох різних функцій; точні механізми контролю, які дають змогу запускати захисну імунну відповідь, коли це необхідно, і запобігати виникненню потенцій но шкідливих ефектів. Лімф оцити Лімфоцити наявні у кровоносному руслі й лімфоїдних органах. Хоча всі лімфоцити морфологічно подібні, насправді вони складаються із кількох популяцій із різ ними функціями та фенотиповими ознаками (рис. 5.4). Лімфоцити утворюються із клітин-попередників у генеративних (первинних) лімфоїдних органах. Дозрівання Т-лімфоцитів відбувається у загруднинній залозі (тимусі), В-лімфоцитів - у кістковому мозку. Кожен Т- чи В-лімфоцит та їхнє потомство, тобто клон, експресують окремий антигенний рецептор, і загальна популяція лімфоцитів (їх кількість у людини сягає близько 1012) може розпізнавати десятки або сотні мільйонів антигенів. Величезне розмаїття антигенних рецепторів кодується різними послідовностями ДНК. Варіації ДНК створюються під час дозрівання лімфоци тів, шляхом приєднання та диверсифікації різних сег ментів генів з утворенням функціональних генів того чи іншого антигенного рецептора. Такий процес відбу вається тільки у В- і Т-клітинах. Отже, наявність пере групованих (геаггап§есІ) генів антигенного рецептора є надійним маркером цих клітин. Як уже зазначалося, антигенні рецептори, що експресуються В-клітинами, називають антитілами, тоді як їхні Т-клітинні анало ги - Т-клітинними рецепторами. Зрілі Т- і В-лімфоцити рециркулюють через пери феричні (вторинні) лімфоїдні органи - лімфатичні вузли, селезінку, слизові оболонки, після чого залиша ються в цих органах і тканинах. Чужорідні антигени також концентруються в лімфо'щних органах, де вони зв'язуються й активують клони тих лімфоцитів, які екс пресують рецептори саме на такі антигени. Це процес відомий як селекція клону. Усі зрілі лімфоцити прохо дять різні етапи розвитку протягом свого життя: наївні лімфоцити експресують антигенні рецептори, але не реагують на антигени і не виконують ніяких функцій; ефекторні лімфоцити, які утворюються при активації лімфоцитів, виконують функцію елімінації мікробів; лімфоцити пам'яті, що індукуються в процесі акти вації, виживають у функціональному стані мовчання навіть після елімінації антигену і швидко активуються при наступній зустрічі з ним. Т-лімфоцити Т-лімфоцити, які дозрівають у тимусі, перетворю ються на ефекторні клітини клітинного імунітету і «допомагають» В-лімфоцитам виробляти анти тіла проти білкових антигенів. Популяція Т-клітин становить від 60 до 70 % загальної кількості лімфо цитів у периферичній крові і є основною клітинною популяцією в періартеріолярних муфтах селезінки та інтерфолікулярних зонах лімфатичних вузлів. Т-клітини самі по собі не можуть розпізнавати віль ні або циркулюючі антигени; переважна більшість (> 95 %) Т-клітин сприймають лише пептидні фраг менти чужорідних білків, що презентуються разом із молекулами головного комплексу гістосумісності (МНС) на клітинних оболонках (детальніше див. далі). Оскільки Т-клітинні антигенні рецептори еволюціо нували, щоб розпізнавати МНС-зв'язані пептиди на клітинних оболонках, то Т-лімфоцити розпізнають лише антигени, представлені іншими клітинами. Результати такої взаємодії різко змінюються залежно від типу Т-клітин, які беруть участь в імунних реакціях з іншими інтерактивними клітинами, починаючи від знищення клітин, інфікованих вірусами, до активації фагоцитів або В-лімфоцитів, які акцептували білкові антигени. Пептидні фрагменти антигенів, представ лені молекулами МНС, розпізнає Т-клітинний рецеп- Клітини і тканини імунної системи РОЗПІЗНАВАННЯ АНТИГЕНУ ФУНКЦІЯ Нейтралізація мікроорга нізмів, фагоцитоз, активація системи комплементу В-лімфоцит Мікроорганізм Активація мікроорганізмів Т-хелпер Запалення Презентація мікробних антигенів антигенопрезен тувальними клітинами Активація (проліферація і диференціювання) Т- і В-лімфоцитів =г о -еЦитотоксичні Т-лімфоцити Кілінг інфікованої клітини Презентація мікробних антигенів інфікованою клітиною Регуляторний -лімфоцит Супресія імунної відповіді Регуляторний Т-лімфоцит Кілінг інфікованої клітини о Рис. 5 .4 . О сно вні класи л ім ф оци тів т а їх н і ф ун кц ії. В-лімфоцити і Т-лімфоцити є клітинами адаптивного імунітету, а МК-клітини - ком понентами природженого імунітету. Виявлено ще кілька класів лімфоцитів, серед яких ІЧКТ-клітини і природні лімфоїдні клітини (ИС); функцію останніх ще не встановлено тор (ТСК) - гетеродимер, що в більшості Т-лімфоцитів складається із дисульфідзв'язаних а- і (3-білкових ланцюгів (рис. 5.5). Кожен ланцюг має перемінну ділянку, яка бере участь у зв'язуванні певного пептидного фрагмента антигену, і постійну ділянку, яка вза ємодіє із відповідними молекулами сигналізації. ТСК нековалентно зв'язаний із кластером, в якому є п'ять інваріантних поліпептидних ланцюгів: у, б та £ - білки молекулярного комплексу СОЗ, і два ^-ланцюги (див. рис. 5.5). Білки СОЗ та ^-ланцюги не зв'язують анти гени, але приєднуються до ТСК й ініціюють внутріш ньоклітинні біохімічні сигнали після розпізнавання антигену ТСК. Т-клітини також експресують низку інших молекул, які виконують важливі функції в імунній відповіді. Так, рецептори С 0 4 та С 08, що експресуються в різ них субнопуляціях Т-клітин, діють як корецептори в процесі активації Т-лімфоцитів. Під час розпізнавання антигену молекули С 0 4 Т-клітин зв'язуються з інварі антними частинами молекул МНС II класу (описаних нижче) на антигенопрезентувальних клітинах (АПК); аналогічно С 08 зв'язуються з молекулами МНС І класу. С 04 експресують 50-60 % Т-клітин, а С 08 - приблиз но 40 % Т-клітин. Т-лімфоцити, які мають С 04 і С 08, називають відповідно С04+ та СБ8+ Т-клітинами. С 04і С08-експресивні Т-клітини виконують різні функції, які перекривають одна одну. С 04+ Т-клітини називають Т-хелперами, оскіль ки вони виділяють розчинні молекули (цитокіни), які допомагають В-клітинам продукувати антитіла, а також ініціюють макрофаги з метою знищення фагоцитованих мікробів. Основну роль Т-хелперів в імунній системі підтверджує виражений дефіцит, який виникає внаслідок руйнування цих клітин віру сом імунодефіциту людини (ВІЛ; див. далі). С08+ Т-клітини також можуть виділяти цитокіни, але їх найважливіша роль полягає у безпосередньому зни щенні клітин, інфікованих вірусом, та пухлинних клітин; унаслідок цього їх називають цитотоксичними Т-лімфоцитами (СТЬ). Т-клітини також експресують 129 130 ГЛАВА 5 Захворювання імунної системи Молекули головного комплексу гіст осумісності: сист ема п р е зе н т а ц ії пепт идів набутого імуніт ет у АНТИГЕНОПРЕЗЕНТУВАЛЬНА КЛІТИНА Молекула МНС II класу І „а-Ланцюг п, ....... п п,....І р-Ланцюг ^-Ланцюги Гетеродимер ТСК ---------- Т---------СР4+ Т-ЛІМФОЦИТ Сигнал 1 Сигнал 2 Рис. 5.5. К о м п л е кс Т -к л іт и н н о г о р е ц е п т о р а ( Т С К ) т а інш і м олекули, щ о б е р у ть участь в а к т и в а ц ії Т -л ім ф о ц и тів . ТСК є гетеродимером, що складається з а- та (3-ланцюгів, розпізнає антиген (у вигляді комплексу білок-М Н С , експресованого на антигенопрезентувальних клітинах) і пов'язаний із СйЗ-комплексом та ^-ланцюгом, які передають сигнал активації. С 0 4 та С Р28 також беруть участь в активації Т-лімфоцитів (зверніть увагу, що деякі Т-клітини експресують С 0 8 , а не СЮ4; ці молекули мають аналогічну роль.). Розміри молекул не масшатбовані. М Н С - головний комплекс гістосумісності інші важливі інваріантні білки (такі як С 028, що діє як рецептор для молекул), що мають назву костимуляторів й індукуються на АПК мікробами, та різні адгезив ні молекули, які зміцнюють зв'язок між Т-клітинами та АПК і контролюють міграцію Т-клітин до різних тканин. Т-клітини, основною функцією яких є при гнічення імунних реакцій, називають регуляторними Т-лімфоцитами. Цей тип клітин описаний далі, у кон тексті імунної толерантності до власних антигенів. Більшість Т-клітин експресують ТСК, що склада ються з а- та (3-ланцюгів. Менша частина Т-клітин периферичної крові та багато Т-клітин, асоційованих зі слизовими оболонками (наприклад, легень, травно го тракту), експресують ТСК, які складаються з у- та б-ланцюгів, що є подібними, але не ідентичними а- та р-ланцюгам. Такі уб-Т-клітини, що не експресують С 04 або С 08, розпізнають молекули небілкової струк тури (наприклад, мікробні гліколіпіди), однак їх функ ціональна роль недостатньо зрозуміла. Інша невелика популяція Т-клітин експресу є марке ри як Т-клітин, так і І\]К-клітиі і. Так звані NКТ-клітини розпізнають мікробні гліколіпіди та можуть відігравати важливу роль у захисті від деяких інфекцій. Антигенні рецептори уб-Т-клітин і КГКТ-клітин розпізнають чужо рідні антигени незалежно від молекул МНС, однак вони значно менш різноманітні, ніж рецептори більш поширених СБ4+ і С 08+ Т-лімфоцитів. Ми не будемо обговорювати ці рідкісні популяції лімфоцитів. Молекули МНС (англ. т арг НізіосотраііЬіІіІу сотріех) є необхідними для розпізнавання антигенів Т-клітина ми, тому генетично зумовлені варіації молекул МНС пов'язані із багатьма імунними захворюваннями. Отже, важливо розглянути структуру та функцію цих моле кул. МНС був відкритий у результаті дослідження процесів відторгнення та приживлення трансплантата (тканинна сумісність, або гістосумісність). Наразі відо мо, що нормальна функція молекул МНС полягає у презентації пептидів для їх розпізнавання С 04+ і С 08+ Т-лімфоцитами. У кожної людині Т-клітини розпізнають лише пеп тиди, представлені молекулами МНС; це єдині моле кули МНС, з якими зазвичай зустрічаються Т-клітини. Таке явище називають обмеженням МНС. МНС людини, відомий також як комплекс НЬА (лейкоцитарний антиген людини) складається із клас тера генів на хромосомі 6 (рис. 5.6). Продукти генів МНС на основі хімічної структури, тканинного розпо ділу та функцій поділяють на дві основні категорії: • М олекули МНС І класу експресуються на всіх ядер них клітинах і кодуються трьома тісно пов'язаними локусами, позначеними НЬА-А, НЬА-В та НЬА-С (див. рис. 5.6). Кожна з цих молекул складається із поліморфного а-ланцюга, нековалентно зв'язаного з інваріантним поліпептидом (3,-мікроглобуліну (що кодується окремим геном на хромосомі 15). Позаклітинна частина а-ланцюга має розрив, де розміщені поліморфні залишки і де чужорідні пеп тиди зв'язуються з молекулами МНС для презента ції їх Т-клітинам. Також а-ланцюг містить інваріант ну ділянку, яка зв'язує С 08, гарантуючи, що тільки С 08+ Т-лімфоцити можуть реагувати на пептиди, презентовані молекулами МНС І класу. Загалом останні зв'язують і презентують пептиди, утворені із білкових антигенів, що наявні у цитозолі клітин (наприклад, вірусні й пухлинні антигени). • М олекули МНС II класу кодуються генами в ділянці НЬА-О, що містить три субрегіони: ОР, ОО та ОК. Ці молекули є гетеродимерами, які нековалентно зв'язані із фрагментами а та р (див. рис. 5.6). На від міну від молекул МНС І класу, які експресуються на всіх ядерних клітинах, експресія молекул МНС II кла су обмежується кількома типами клітин; переважно це - АПК (зокрема дендритні клітини), макрофаги та В-лімфоцити. Позаклітинна частина молекул МНС II класу містить локус для зв'язування антигенних пептидів і ділянку, яка зв'язує С 04. Загалом молекули МНС II класу зв'язуються з пептидами, які утворю ються із позаклітинних білків або які були синтезова ні за межами клітини (наприклад, фагоцитованими мікроорганізмами, що розпадаються всередині клі тини). Ця властивість дає змогу С04+ Т-лімфоцитам розпізнавати позаклітинні патогенні чинники. • Кілька інших білків кодуються в локусі МНС і включають компоненти системи комплементу (С2, СЗ і фактор В), фактор некрозу пухлин (ТИР) та лімфотоксин. Гени НЬА є високополіморфними; тобто існують альтернативні форми (алелі) кожного гена для кожного локуса (налічують понад 10 000 форм для всіх генів НЬА Клітини і тканини імунної системи РР 1 Р а (3 а 00 І--------- 1 (5 а 0К І-------------р Р р ТИР в с а Молекули МНС II класу НООС І_Т Білки системи комплементу, інші Цитокіни Молекули МНС І класу СООН Рис. 5 .6 . К о м п л е к с Н І. А т а с т р у к т у р а й о г о м о л е ку л : А - локалізація генів у комплексі Ш А . Відповідні розташування, розміри та відстані між генами не мають масштабу. Гени кодують кілька протеїнів, що беруть участь у процесингу антигенів (ТАР-транспортер, компоненти про теасоми та Ш А -Р М ) і розташовані у ділянці II класу (не показано). Б - схематична діаграма та кристалічна структура І і II класу молекул НІ_А. ТИР фактор некрозу пухлин; ІГ —лейкотрієни. (Кристалічні конструкції люб'язно надані 0г. Р. В]огктап, СаІІ[огпіа Іпзіііиіе оГТесНпоІо^у, Разасіепа, СаІІ/Ьгпіа.) і понад 3500 тільки для апелів ІІЬА-В). у кожної людини експресується лише один набір генів НЬА. Вважається, що поліморфізм генів МНС еволюціонував для того, щоб забезпечити відповідь на будь-який можливий мікробний пептид , що зустрічається в навколишньому середовищі. У результаті поліморфізму в популяції існує майже нескін ченна кількість комбінацій молекул ІІЬА. Гени НЬА тісно пов'язані із хромосомою 6, тому вони передаються від батьків до нащадків у блоці та являють собою єдиний локус щодо шляхів успадкування. Кожен набір генів материнського і батьківського НЬА отримав назву гаплотип НЬА. Унаслідок такого шляху успадкування вірогід ність того, що брати й сестри будуть подібними за двома гаплотипами НЬА, становить 25 %. Навпаки, у більшості популяцій вірогідність того, що нерідний донор буде мати ті самі два гаплотипи НЬА, дуже низька. Наслідки поліморфізму НЬА для трансплантації очевидні; оскіль ки в кожної людини є алелі НЬА, які певною мірою від різняються від тих, що мають відношення до будь-якої іншої нерідної особи, - пересадження тканин від нерід них донорів зумовлює імунну реакцію у реципієнта і від торгнення трансплантата. Тільки монозиготні близнята можуть бути донорами та реципієнтами трансплантатів один для одного без ризику відторгнення. Навіть за наяв ності однакового гаплотипу НЬА у донора і реципієнта трансплантати можуть відторгатися через відмінності в так званих невеликих локусах гістосумісності - інших наборах поліморфних генів, які, ймовірно, відрізняються випадково (єдиним винятком із цього правила, звичайно, є монозиготні близнята). Фактично молекули НЬА були виявлені під час ранніх спроб трансплантації тканин, тому що молекули НЬА трансплантата спричинюють імунні реакції, які зрештою призводять до відторгнення трансплантата (див. далі). Здатність молекул МНС зумов лювати імунні реакції є причиною того, що ці молекули часто називають антигенами. Успадкування окремих алелів МНС впливає на роз виток як захисних, так і несприятливих імунних реакцій. Здатність будь-якого алеля МНС зв'язувати пептидні антигени, утворені певним патогеном, визначатиме, чи зможуть Т-клітини конкретної людини розпізнати цей патоген та генерувати захисну реакцію. І навпаки, якщо антигеном, наприклад, є пилок амброзії, який спричи нює алергійну реакцією, успадкування деяких генів НЬА може зробити людину схильною до сінної гарячки (побутова назва алергії на амброзію). Зрештою, багато аутоімунних захворювань пов'язані з певними алелями НЬА. Ми повернемося до обговорення цих асоціацій, коли розглядатимемо процеси аутоімунізації. В-лімф оцит и В-лімфоцити (Ьопе т аггого - походять із кісткового мозку) - клітини, які продукують антитіла, медіато ри гуморального імунітету. ГЛАВА 5 Захворювання імунної системи В-клітини становлять 10-20 % загальної популяції циркулюючих периферичних лімфоцитів. Вони також наявні у кістковому мозку й фолікулах периферичних (вторинних) лімфоїдних органів. Ці клітини розпізнають антиген за допомогою мемб ранних антитіл - І§М, які експресуються на їх поверхні разом із сигнальними молекулами для формування комплексу В-клітинних рецепторів (ВСК; рис. 5.7). Тоді як Т-лімфоцити розпізнають лише МНС-асоційовані пептиди, В-лімфоцити ідентифікують (без потреби в МНС) і реагують на багато інших хімічних структур, у тому числі - на розчинні або клітино-асоційовані біл ки, ліпіди, полісахариди, нуклеїнові кислоти, хімічні речовини з малою молекулярною масою. Як у випадку із ТСК, кожне антитіло має унікальну послідовність амінокислот. Це розмаїття послідовностей є наслідком реаренджменту (перегрупування) та збирання безлічі генних сегментів імуноглобуліну - процесу, який ство рює функціональні 1§-гени. В-клітини експресують кілька інваріантних молекул, які відповідають за пере дачу сигналу й активацію В-клітин (див. рис. 5.7); деякі з них являють собою сигнальні молекули, прикріплені до ВСК. Іншим прикладом є С 021 (також відомий як Антиген Рис. 5.7. С т р у к т у р а а н ти тіл В -к л іт и н н о го р е ц е п то р а : А комплекс В-клітинного рецептора складається із мембранного І§М (або І§ 0 - не показано), який розпізнає антигени, а також з асоційова них сигнальних протеїнів І§о та 1§р. С021 - це рецептор компонентів системи комплементу, який також сприяє активації В-лімфоцитів. Б кристалічна структура декретованої молекули І§С, на якій зображено варіабельний (V) і константний (С) регіон важких (Н) та легких (1_) ланцюгів. (Люб'язно надані Ог. А. МсРЬегзоп, і і п і у є п і і у о(СаІІ{огпіа, Ітпе, СаІІ[огпіа.) рецептор комплементу 2-го типу, або СК2); він роз пізнає продукти, які утворюються внаслідок осідання компонентів системи комплементу на поверхні мікро організмів, і сприяє реакції В-лімфоцитів на мікробні антигени. Цікаво, що поширений у людській популяції вірус Епштейна-Барр майстерно еволюціонував, щоб використовувати С 021 як рецептор для зв'язування із В-клітинами та їх інфікування. Після стимуляції В-лімфоцити диференціюються в плазматичні клі тини, які продукують велику кількість антитіл. Існує п'ять класів, або ізотипів, імуноглобулінів. Три з них І§С, І§М і І§А - становлять понад 95 % циркулюючих антитіл. І§А є основним ізотипом у секретах слизових оболонок; І§Е наявний у кровоносному руслі в дуже низькій концентрації, а також фіксується на мембранах тучних клітин; І^Е) експресується на поверхні В-клітин і наявний у сироватці крові в дуже низькій концен трації. Ці ізотипи вирізняються здатністю активувати систему комплементу й залучати запальні клітини, виконуючи різні ролі в захисті організму людини і роз витку захворювань. П р и р о д н і кілери і пр и р о дн і лімф оїдні кліт ини П риродні кілери Ш К-клітиии) - це лімфоцити, які походять від загальної клітини-попередника, разом із Т- і В-лімфоцитами. Проте ЇЧІК-клітини є природними імунними клітинами, оскільки функціонують без попередньої активації та не експресують дуже мінли ві клонально розподілені рецептори для антигенів. Натомість ІМК-клітини мають два типи рецепторів інгібітори й активатори. Інгібіторні рецептори розпізна ють власні молекули МНС І класу, які експресуються на всіх інтактних клітинах, тоді як активаційні рецептори молекули, локалізовані в ушкоджених або інфікованих клітинах. Як правило, вплив інгібіторних рецепторів домінує над дією активаційних рецепторів, запобігаю чи спонтанній активації ИК-клітин. Інфекції (особливо вірусні) та стрес знижують експресію молекул МНС І класу і посилюють експресію білків, які розпізнають активаційні рецептори. Кінцевим результатом є акти вація МК-клітип і загибель та елімінація інфікованих або ушкоджених клітин. ІМК-клітини також синтезують цитокіни (наприклад, ІРІМ-у), який активує макрофаги для знищення та розщеплення мікроорганізмів. Отже, ІМК-клітини забезпечують ранній захист від внутріш ньоклітинних мікробних інфекцій. П риродні лім ф оїдн і клітини (ІЬС) - це популяції лімфоцитів, які не мають ТСК, але продукують цитокі ни, аналогічні таким для Т-клітин. їх поділяють на три групи, які продукують ІРІМ-у, ІЬ-5 або ІЬ-17 - цитокіни, характерні для субпопуляцій ТЬІ, ТЬ2 і ТЬІ 7 відповідно (див. далі). ІМК-клітини належать до 1-ї групи внаслідок продукування ІРІМ-у - цитокіну, який також синтезу ється ТЬІ. Оскільки ІЬС переважно містяться у ткани нах, вважають, що вони забезпечують ранній захист від інфекцій, перш ніж активуються Т-клітини та від будеться їх міграція в ці тканини. ІЬС також можуть бути компонентами запальних реакцій при різних захворюваннях. Антигенопрезентувальні клітини Імунна система містить кілька типів клітин, які спеці алізуються- на захопленні антигенів та їх презентації Клітини і тканини імунної системи лімфоцитам. Найважливішими серед АПК є дендритні клітини, які представляють білкові антигени наївним Т-лімфоцитам. Кілька інших типів клітин презенту ють антигени лімфоцитам на різних етапах імунних реакцій. Д ендри т ні кліт ини Дендритні клітини - найважливіші антигенопрезентувальні клітини для ініціювання Т-лімфоцитарних реакцій проти білкових антигенів. Ці клітини мають численні тонкі вирости цитоплазми, що нагадують дендрити, завдяки чому вони отримали свою назву. • Дендритні клітини розміщені у потрібному місці для захоплення антигенів - під епітелієм, де в ткани ни проникають як мікроорганізми, так і чужорідні антигени. Також вони локалізуються в інтерстиції всіх тканин, де можуть утворюватись антигени. Дендритні клітини в епідермісі називають клітина ми Лангерганса. • Дендритні клітини експресують багато рецепторів для захоплення і реагування на мікроорганізми та інші антигени, включаючи ТЬК і лектинові рецеп тори типу С. • У відповідь на мікробну інфекцію дендритні кліти ни накопичуються в Т-клітинних зонах лімфоїдних органів, де вони ідеально розташовуються для пре зентації антигенів Т-лімфоцитам. • Дендритні клітини експресують високий рівень МНС та інших молекул, необхідних для презентації антигену й активації Т-лімфоцитів. Одну із субпопуляцій називають плазмоцитоїдними дендритними клітинами через їх схожість із плазматич ними клітинами. Ці клітини наявні в крові та лімфоіДних органах і є основним джерелом інтерферону І типу, що продукується у відповідь на численні віруси. Другий тип клітин із дендритною морфологією локалізується у гермінативних центрах лімфоїдних фолікулів, розміщених у селезінці та лімфатичних вузлах, - це фолікулярні дендритні клітини. Вони містять Рс-рецептори для І§С і рецептори для СЗЬ; можуть захошіювати антиген, зв'язаний з антитілами або біл ками системи комплементу. Фолікулярні дендритні клітини презентують антигени В-лімфоцитам у лімфоХцних фолікулах і сприяють утворенню антитіл, але не беруть участі у захопленні антигенів для презентації їх Т-лімфоцитам. Т- і В-лімфоцити дозрівають, тобто стають здатними реагувати на антигени; у периферичних (або вторин них) - ініціюються адаптивні імунні реакції на мікро організми. Основними генеративними лімфоїдними органами є тимус, де розвиваються Т-лімфоцити; і кіст ковий мозок, де дозрівають В-лімфоцити і відбувається утворення всіх клітин крові. Основні периферичні органи стисло описані нижче. П е р и ф е р и чн і лімф оїдні органи Периферичні лімфощні органи концентрують антиге ни, АПК і лімфоцити так, щоб оптимізувати їх взаємо дію та забезпечити адаптивні імунні реакції. Більшість лімфоцитів організму людини містяться саме в цих органах (табл. 5.1). • Л ім ф ат ичні вузли - інкапсульовані (високоорганізовані скупчення лімфоїдних клітин і природних імунних клітин, розміщених уздовж лімфатичних судин по всьому тілу (рис. 5.8, А). Коли лімфа прохо дить через лімфатичні вузли, локалізовані там АПК здатні контактувати з антигенами, які переносяться лімфою від інтерстицію тканин й органів. Окрім того, дендритні клітини транспортують антигени із сусідніх епітеліальних шарів і тканин шляхом міграції через лімфатичні судини до лімфатичних вузлів. Отже, антигени (наприклад, мікроби, що проникають через епітелій або колонізують ткани ни) концентруються в лімфатичних вузлах унаслі док фільтрації лімфи. • С елезінка відіграє важливу роль у розвитку імунних реакцій на антигени, що містяться в крові. Кров, яка надходить у селезінку, протікає через сітку синусоїдів, що дає змогу дендритним клітинам та макро фагам захоплювати антигени. • Л ім ф оїдн а сист ема шкіри й слизових о б о л о н о к розміщена під епітелієм шкіри, травного тракту і дихальних шляхів. Реагує на антигени, що прони кають через ушкоджений епітелій. Глоткові мигда лики та бляшки Пейєра в кишках - дві анатомічні ділянки лімфощної тканини. Значна кількість лім фоцитів у слизовій оболонці цих органів (другі за кількістю - лімфатичні вузли) зумовлена їх величез ною поверхнею. У периферичних лімфоїдних органах Т- і В-лім фоцити розподілені на різні зони (рис. 5.8, Б, В). В-клітини зосереджені в окремих структурах, які називаються фолікулами і розташовані на периферії, Ін ш і ант игенопрезент увальні кліт ини Макрофаги (глава 3) фагоцитують мікроорганізми та інші антигенні частинки і презентують їх пептиди для подальшого розпізнавання Т-лімфоцитами. Останні своєю чергою активують макрофаги для знищення мікробів, це основна реакція клітино-опосередкованого імунітету. В-лімфоцити презентують пептиди Т-хелперам й отримують сигнали, які стимулють утво рення антитіл на білкові антигени. Це важливі стадії гуморальних імунних реакцій. Лімфоїдна тканина Імунна система складається із центральних та пери феричних лімфоїДних органів. У генеративних (первинних, або центральних) лімфоїдних органах Таблиця 5.1. Розподіл лімфоцитів у тканинах* Тканина Лімфатичні вузли К іл ь к іс т ь л ім ф о ц и т ів , х 1 0 9 190 Селезінка 70 Кістковий мозок 50 Кров 10 Шкіра 20 Кишки 50 Печінка 10 Легені 30 * Орієнтовна кількість лімфоцитів у різних тканинах у здорових дорослих осіб. ГЛАВА 5 Захворювання імунної системи Фолікули А речовина Мозкова речовина Аферентна Дендритна лімфатич на клітина Наївна Е- * пітина Т-клітинна зона у кірковій речовині кожного вузла. Якщо В-клітини нещодавно зреагували на антиген й активувались при імунній відповіді, то центральна, світла зона фолікула, яку називають гермінативним центром, збільшується. Т-лімфоцити зосереджені в корі лімфатичних вузлів у парафолікулярних ділянках. Фолікули містять фоліку лярні дендритні клітини, які беруть участь в активації В-клітин, а паракортикальні ділянки - дендритні клі тини, які презентують антигени для Т-лімфоцитів. У селезінці Т-лімфоцити концентруються в періартеріолярних лімфоїдних скупченнях навколо дрібних арте рій, а В-клітини також розміщені у фолікулах. Лімфоцити постійно мігрують між тканинами і ділянками їх локалізації. Наївні лімфоцити цирку люють через периферичні лімфо'щні органи, де кон центруються антигени та ініціюються імунні реакції, а ефекторні лімфоцити мігрують у вогнище інфекції. Процес рециркуляції лімфоцитів є більш важливим для Т-клітин, тому що наївні Т-клітини мають «патру лювати» периферичні лімфоїдні органи з метою пошуку антигенів, а ефекторні Т-клітини - мігрувати у вогнище інфекції для елімінації мікроорганізмів. Навпаки, плазматичні клітини можуть не мігрувати у вогнища інфекції, оскільки вони продукують антитіла, які транспортуються через кров і лімфу до віддалених тканин. Ц и т о кін и : молекулярні м есе ндж е р и ім ун н о ї системи В-клітинна зона Артерія Т-лімфоцит В-лімфоцит Рис. 5 .8 . М орф ол огія л ім ф а ти ч н о го вузла: А - лімфатичний вузол складається із зовнішньої кіркової речовини, що містить фолі кули, і внутрішньої мозкової речовини. Б - схематично продемон стрована сегрегація В- та Т-лімфоцитів у різних ділянках лімфатичного вузла. В - локалізація В-лімфоцитів (забарвлені в зелений колір, метод імунофлюоресценції) і Т-лімфоцитів (забарвлені в червоний колір) у лім фатичному вузлі. (Люб'язно надані 0 г5 К. Раре апсі ]. У/аІІег, ІІпіуег$іІу оГ Міппевоіа 5сЬооІ о[Месіісіпе, Міппеароііз, Міппезоіа.) Цитокіни - це білкові продукти, які є медіаторами імунних та запальних реакцій. Молекулярно визначені цитокіни називають інтерлейкінами, що передбачає їх роль у взаємодії лейкоцитів. Більшість цитокінів мають широкий спектр ефектів, а деякі з них секретуються кількома різними типами клітин. Зазвичай цитокіни діють на клітини, які їх про дукують, або на сусідні клітини, але деякі (наприклад, ІЬ-1) справляють системний вплив. Різні цитокіни зумовлюють специфічні типи імун них реакцій. • Під час природних імунних реакцій цитокіни швид ко синтезуються після виявлення мікроорганізмів та інших чинників, забезпечуючи розвиток запалення і пригнічення реплікації вірусів. До них належать ПМР, ІЬ-1, ІЬ-12, інтерферон І типу, ІРГчІ-у та хемокі ни (глава 3). Основними джерелами цих цитокінів є макрофаги, дендритні клітини, природні лімфо'щні клітини та ГчГК-клітини; їх також можуть продукува ти ендотеліальні й епітеліальні клітини. • Під час набутих імунних реакцій цитокіни синтезу ються переважно С 04+ Т-лімфоцитами, що активу ються антигеном й іншими сигналами. Вони сприя ють проліферації та диференціюванню лімфоцитів, а також активації ефекторних клітин. Основними в цій групі цитокінів є ІЬ-2, ІЬ-4, ІЬ-5, ІЬ-17 й ІРГчГ-у, їх роль в імунних реакціях буде описано далі. Окремі цитокіни слугують переважно для обмеження та припинення імунної відповіді, до них належать ТСР-р й ІЬ-10. • Деякі цитокіни активують кровотворення, тому їх називають колонієстимулювальними факторами (КСФ). Вони індукують утворення колоній клітин крові із клітин-попередників у кістковому мозку (глава 12). їх функція полягає у збільшенні кількості лейкоцитів під час імунних та запальних реакцій, Активація лімфоцитів та адаптивні імунні реакції а також у заміні лейкоцитів, які використовуються під час таких реакцій. Зазначені цитокіни синтезу ються стромальними клітинами кісткового мозку, Т-лімфоцитами, макрофагами та іншими клітина ми. Прикладом можуть бути СМ-С5Р та ІЬ-7. Знання, отримані про цитокіни, мають вели ке практичне значення у терапевтичній практиці. Пригнічуючи продукування цитокінів або їх дію, мож на контролювати негативні ефекти запалення та ушко дження тканин при імунних реакціях. Прикладом раціонально спланованої молекулярної таргетної терапії можуть бути пацієнти з ревматоїдним артри том, які часто демонструють ефективну відповідь на антагоністи ТИР. На сьогодні багато інших антагоніс тів цитокінів схвалено для лікування різних запальних захворювань. Також цитокіни використовують для посилення процесів, які зазвичай ініціюються цими месенджерами, наприклад, кровотворення або захист від деяких вірусів. АКТИВАЦІЯ ЛІМФОЦИТІВ ТА АДАПТИВНІ ІМУННІ РЕАКЦІЇ Набуті імунні реакції розвиваються поетапно і включають такі процеси: розпізнавання антигену; активацію, проліферацію та диференціювання спе цифічних лімфоцитів - ефекторних клітин і клітин пам'яті; елімінацію антигену і згасання імунної від повіді, коли зберігаються довгоживучі клітини пам'яті. Основні події на кожному етапі, які стосуються захис них реакцій проти мікроорганізмів, а також патоло гічних реакцій, що завдають шкоди макроорганізму, обговорюються далі. Захоплення і презентація антигенів Мікроорганізми та інші чужорідні антигени можуть потрапляти в організм людини майже у будь-якій ділянці, і зрозуміло, що лімфоцити не можуть «патру лювати» кожен можливий шлях надходження анти генів. Щоб подолати цю проблему, мікроорганізми та їхні білкові антигени в епітелії й інших тканинах захоплюються наявними там дендритними кліти нами, які потім несуть свій «антигенний вантаж» у лімфатичні вузли, через які постійно рециркулюють Т-клітини (рис. 5.9). Тут антигени розпізнаються Т-клітинами після їх оброблення та презентації в комплексі з молекулами МНС. За аналогією, розчинні антигени фіксуються і концентруються у фолікулах лімфатичних вузлів та селезінки, де вони можуть бути розпізнані В-клітинами за допомогою їхніх антиген них рецепторів. Одночасно із розпізнаванням мікробних антигенів Т- і В-лімфоцитами самі мікроорганізми активують природні імунні клітини, що експресують відповідні патерн-розпізнавальні рецептори. У разі імунізації білковим антигеном, як при вакцинації, препарат, що імітує мікроорганізми, називають ад'ювантом; він теж стимулює природні імунні реакції. Під час природної реакції мікроорганізм або ад'ювант активує АПК для експресії молекул, названих костимуляторами, а також зумовлює вивільнення цитокінів, що посилюють проліферацію та диференціювання Т-лімфоцитів. Основними костимуляторами для Т-лімфоцитів є протеїни В7 (С 080 та С 086), які експресуються на АПК і визначаються рецептором С 028 на наївних Т-клітинах. Антиген («сигнал 1») та костимуляторні молекули, що утворюються під час природної імунної реакції на мікроорганізми («сигнал 2»), функціонують спільно для активації антигеноспецифічних лімфоци тів. Потреба в «сигналі 2», який запускається тригерни ми мікробними механізмами, це - гарантія, що набута імунна відповідь індукується мікроорганізмами, а не речовинами, які є нешкідливими. При імунній відпо віді на пухлини і трансплантат «сигнал 2» може бути забезпечений речовинами, що виділяються із некро тичних клітин (це молекулярні патерни, асоційовані з ушкодженням, про них згадувалося раніше). Реакції та функції Т- і В-лімфоцитів різняться за сво їми механізмами, тому їх найкраще розглядати окремо. Клітинний імунітет: активація Т-лімфоцитів та елімінація внутрішньоклітинних мікроорганізмів Наївні Т-клітини активуються антигеном і костимуля торами в периферичних лімфощних органах, потім проліферують та диференціюються в ефекторні кліти ни, які мігрують до будь-якого вогнища, де містяться антигени (мікроорганізми; див. рис. 5.9). Одними із перших в імунну реакцію вступають СП4+ Т-хелпери відбуваються синтез цитокіну ІЬ-2 та експресія високоафінних рецепторів для нього. ІЬ-2 - фактор росту, який діє на ці Т-клітини та стимулює їх проліферацію, що призводить до збільшення кількості антигено специфічних лімфоцитів. Функції Т-хелперів опо середковуються комбінованою дією С040-ліганда (С040Ь) і цитокінів. С 040 є представником сімей ства ТИР-рецепторів, а С 040Е - мембранним білком, гомологічним до ТИР. Коли СИ4+ Т-хелпери розпіз нають антигени, що презентуються макрофагами або В-лімфоцитами, Т-клітини експресують СТ)40Ь, який зв'язується із С 040 макрофагів чи В-лімфоцитів й акти вує ці клітини. Деякі активовані СС)4+ Т-лімфоцити диферен ціюються в ефекторні клітини, які продукують різні набори цитокінів і виконують різні функції (рис. 5.10). Субпопуляції ТЬІ синтезують ІР1\Г-у, який є потужним активатором макрофагів. Поєднаний вплив СБ40 та ІРІЧГ-у зумовлює «класичну» активацію макрофагів (глава 3); відбуваються індукція бактери цидних речовин у макрофагах і знищення фагоцитованих мікроорганізмів. Субпопуляції ТЬ2 синтезують ІЬ-4, який стимулює В-клітини до диференціювання в І§Е-продукувальні плазматичні клітини; ІЬ-5, що активує еозинофіли; ІТ-13, який стимулює епітеліаль ні клітини слизової оболонки і посилює виділення слизу, а також індукує «альтернативний» шлях акти вації макрофагів, пов'язаний із репарацією тканин та фіброзом (глава 3). Еозинофіли оточують і знищують патогенні чинники, вкриті І§Е, такі як гельмінти. ТЬІ 7 названі так тому, що цитокіном, який вони син тезують, є ІЬ-17. Ці клітини мобілізують нейтрофіли і моноцити, які руйнують деякі позаклітинні бактерії та грибки, а також беруть участь у розвитку низки запальних захворювань. 135 ГЛАВА 5 Захворювання імунної системи Дендритна клітина з антигеном Розпізнавання антигену в лімфоїдних органах Проліферація та диференціація Т-лімфоцитів СР4+ Т-лімфо^ цити СР8 + Т-лімфо- С04+ ефекторні Т-лімфоцити Наївна , Т-клітина ЦИТИ А СР8 + Т-лімфо- , цити (СТІ_) Ефекторна Т-клітина Т-клітини пам'яті Міграція ефекторних Т-клітин у напрямку антигену Диференційовані ефекторні та Т-клітини пам'яті виходять у кровоток . Інфіковані клітини з мікроорганізмами у цитоплазмі Фагоцити із поглиненими мікроорганізмами СР4+ ефекторні Т-клітини СР8 + Т-лімфоцити (СП) Секреція цитокінів ЗАПАЛЕННЯ АКТИВАЦІЯ МАКРОФАГІВ, ЗНИЩЕННЯ ФАГОЦИТОВАНИХ МІКРООРГАНІЗМІВ Рис. 5.9. К л іт и н н о -о п о с е р е д к о в а н и й ім у н іте т. Дендритні клітини захоплюють мікробний агент з епітелію та тканин і транспортують анти гени до лімфатичних вузлів. Під час цього процесу дендритні клітини дозрівають й експресують велику кількість молекул М НС й костимуляторів. Наївні Т-клітини розпізнають МНС-асоційовані пептиди антигенів, розміщених на поверхні дендритних клітин. Т-лімфоцити активуються для проліферації і диференціюються в ефекторні клітини та клітини пам'яті, які мігрують у вогнища інфекції і виконують різноманітні функції клітинно-опосередкованого імунітету. С Р 4+ ефекторні Т-лімфоцити (Т М ) розпізнають антигени попередньо фагоцитованих мікробів й активують ці клітини для кілінгу мікроорганізмів; інша популяція ефекторних клітин активує міграцію лейкоцитів і стимулює різні типи імунних реакцій. С 0 8 + цитотоксичні Т-лімфоцити (СТІ_) знищують клітини, що містять мікроорганізми у своїй цитоплазмі. Деякі активовані Т-клітини залишаються в лімфоїдних органах і допомагають В-клітинам продукувати антитіла; окремі Т-лімфоцити диференціюються в довгоживучі клітини пам’яті (не показано). А П К - антигенопрезентувальна клітина Активовані С 08+ Т-лімфоцити диференціюються у цитотоксичні Т-лімфоцити і знищують клітини, у цитоплазмі яких містяться мікроорганізми, тим самим усуваючи приховані резервуари інфекції. Основний механізм їхньої цитотоксичної дії пов'язаний із систе мою перфорин-гранзими. Ці речовини зберігаються у гранулах і швидко виділяються із цитотоксичних Т-лімфоцитів, якщо вони знаходять свої мішені - клі тини, що несуть відповідні молекули МНС І класу. Перфорин зв'язується із плазматичною мембраною клітин-мішеней і сприяє проникненню гранзимів та протеаз, які специфічно розщеплюються і тим самим активують клітинні каспази (глава 2), які своєю чергою індукують апоптоз клітин-мішеней. Т-клітинна відповідь регулюється балансом між костимулювальними та коінгібіторними рецептора ми. Основним костимулювальним рецептором є С 028 (див. раніше) - молекула, що розпізнає ліганди В7 на АПК і забезпечує інші сигнали, які функціонують разом із процесом розпізнаванням антигенів. Інші білки сімейства СБ28 включають два «коінгібіторні» рецептори - СТЬА-4 і РО-1, які блокують сигнали від ТСК і С 028, у такий спосіб припиняючи Т-клітинну відповідь (глава 6). Активація лімфоцитів та адаптивні імунні реакції Основні цитокіни Клітинимішені ІРІЧ-у V- Захисний механізм Внутрішньо клітинні патогени Роль у захворюванні Ауто імунітет; хронічне запалення Макрофаги И-4 И-5 Гельмінти Алергія Позаклітинні патогени Аутоімунітет И-13 Еозинофіли И-17 И-22 ТИ17 Нейтрофіли Рис. 5 .1 0 . П о п у л я ц ії Т-хелперів (ТИ ). У відповідь на стимули (переважно цитокіни), наявні в момент розпізнавання антигену, наївні С й4+ Т-клітини можуть диференціюватися в ефекторні клітини, які продукують певний набір цитокінів, що активують диференціацію клітин (позначені як клітинимішені), й виконують інші функції. Узагальнено роль цих клітинних субпопуляцій у захисті організму та розвитку імунних захворювань; вони можуть перетворюватися з однієї на іншу. Деякі активовані Т-лімфоцити продукують кілька цитокінів і не належать до чітко визначених субпопуляцій. Гуморальний імунітет: активація В-лімфоцитів та елімінація позаклітинних мікроорганізмів Після активації В-лімфоцити проліферують, а потім диференціюються у плазматичні клітини, які про дукують різні класи антитіл із різними функціями (рис. 5.11). Існує два основні шляхи активації В-лімфоцитів: • Т-кліт инно-незалеж ниіі. Багато полісахаридних та ліпідних антигенів мають кілька однакових анти генних детермінант (епітопів), які здатні одночасно взаємодіяти і поперечно з'єднувати декілька моле кул антитіл на кожній В-клітині, у результаті чого ініціюється процес їх активації. Нейтралізація мікроорганіз мів і токсинів Проліферація Плазматичні клітини, що секретують антитіла Наївні ІдМ+, ІдО+ В-клітини -Є 5Ч * « 2ь {£ 2 § а к ф І с Опсонізація і фагоцитоз Антитілозалежна цитотоксичність В и, що експресують ІдС Високоспоріднені ІдС М ікро організм Активація системи _ комплементу ° с 2<3и Лізис мікро організмів Фагоцитоз опсонізованих мікроорга нізмів Високоспоріднені В-клітини, що продукують Ід к В-клітини пам'яті Рис. 5 .1 1 . Гуморальний ім унітет. Наївні В-клітини розпізнають антигени під впливом Т-хелперів та інших стимулів (не показано), В-лімфоцити активуються для проліферації та диференціюються в антитілопродукувальні плазматичні клітини. Деякі активовані В-лімфоцити проходять постійний процес комутації (перемикання) класу важких ланцюгів і дозрівання афінності, а деякі стають довгоживучими клітинами пам’яті. Антитіла різних класів важких ланцюгів (ізотипи) виконують різні ефекторні функції (показано праворуч). Зазначте, що серед наведених антитіл є І§С; вони та І§М активують систему комплементу. Спеціалізовані функції І§А (імунітет слизових оболонок) та І§Е (активація тучних клітин й еозинофілів) не показані 137 ГЛАВА 5 Захворювання імунної системи • Т-кліт пнно-залеж ний. Типові глобулярні білкові антигени не здатні зв'язуватися із кількома антиген ними рецепторами, і повна відповідь В-клітин на біл ковий антиген потребує участі С 04+ Т-лімфоцитів. В-клітини також діють як АПК - вони накопичують білкові антигени, розщеплюють їх і презентують пептиди, які зв'язані з молекулами МНС II класу, для розпізнавання Т-хелперами. Останні експресу ють СБ40Ь і виділяють цитокіни, які разом зумов люють активацію В-лімфоцитів. Частина клону В-клітин, що проліферують, дифе ренціюється в плазматичні клітини, які продукують антитіла. Кожна плазматична клітина утворює такі самі специфічні антитіла, що знаходяться на клітинній обо лонці (рецептори В-клітинних антигенів), які спочатку розпізнали антиген. Полісахариди та ліпіди стимулю ють утворенім переважно І§М-антитіл. Білкові антиге ни внаслідок опосередкованої дії СП40Ь і цитокінів, що синтезуються Т-хелперами, індукують продукування антитіл різних класів (І§С, І§А, І§Е). утворення функці онально різних антитіл з однаковою специфічністю Грунтується на комутації їх важ к о го ланц ю га (ізотипу), що збільшує діапазон функцій, властивих антитілам. Деякі ізотипоспецифічні функції антитіл включають опсонізацію і трансплацентарну міграцію І§С, секрецію І§А у слизових оболонках, а також зв'язування І§Е з туч ними клітинами. Т-хелпери також стимулюють проду кування антитіл із високою спорідненістю до антигену. Цей процес називається афінним дозріванням і поліпшує якість гуморальної імунної відповіді. Деякі активовані В-клітини мігрують у фолікули й утворюють зародкові центри - основне місце комутації ізотипу та афінного дозрівання. Т-хелпери, які стимулюють такі процеси у популяціях В-лімфоцитів, також мігрують у зародкові центри, де їх називають фолікулярними Т-хелперами. При гуморальній імунній відповіді боротьба з мікроорганізмами відбувається за допомогою багатьох механізмів (див. рис. 5.11). • Антитіла зв'язуються з мікроорганізмами, нейтралі зують їх, запобігаючи інфікуванню клітин. • І§С опсонізують бактерії та ініціюють фагоцитоз, оскільки фагоцити (нейтрофіли і макрофаги) екс пресують Ес-рецептори для хвостової частини моле кул І§С. • І§С та І§М активують систему комплементу за кла сичним шляхом, а продукти активації сприяють фагоцитозу і знищенню бактерій. • І§А секретуються у слизових оболонках і нейтра лізують бактерії у дихальних шляхів та травному тракті (а також в інших слизових оболонках). • І§С активно транспортуються через плаценту і забезпечують захист новонародженого до досягнен ня зрілості його імунної системи. Це форма пасив ного імунітету. • І§Е опсонізують гельмінти і разом із тучними кліти нами й еозинофілами сприяють їх знищенню. протягом багатьох років, продовжуючи утворювати незначну кількість антитіл. Ослаблення імунних реакцій та імунологічної пам’яті Більшість ефекторних лімфоцитів, індукованих інфекційним агентом, після знищення збудників елімі нуються шляхом апоптозу, у такий спосіб повертаючи імунну систему до її вихідного стану спокою. Однак первинна активація лімфоцитів утворює довгоживучі клітини пам'яті, які можуть існувати протягом багатьох років після інфікування. Клітини пам'яті - це розшире ний пул антигеноспецифічних лімфоцитів; вони більш численні, ніж наївні клітини, специфічні для будь-якого антигену і наявні до зустрічі з цим антигеном. Під впли вом антигену клітини пам'яті реагують швидше й ефек тивніше, ніж наївні лімфоцити. Саме тому утворення клітин пам'яті є важливою метою вакцинації. РЕЗЮ МЕ НОРМАЛЬНА ІМ УННА ВІДПОВІДЬ: ХАРАКТЕРИСТИКА КЛІТИН, ТКАН ИН , РЕЦЕПТОРІВ ТА МЕДІАТОРІВ П риродж ена імунна система використовує декілька сімейств рецепторів, наприклад ТоІІ-подібні рецептори, для розпіз навання молекул, наявних у різних тип а х мікроорганізмів й утворених в уш ко д ж е н и х клітинах. Л ім ф оцити є посередниками набутого імунітету та єдиними клітинами, які продукую ть різноманітні специфічні рецепто ри для антигенів. Т-лімфоцити (походять із тимуса) експресують антигенні рецептори, названі Т-клітинними рецепторами; вони розпіз нають пептидні фрагменти білкових антигенів, щ о експресу ються через молекули М Н С на поверхні антигенопрезентувальних клітин. В-лімфоцити (походять із кістко во го мозку) експресують мембранозв’язані антитіла, які розпізнають ш иро ки й спектр антигенів. В-клітини активуються, щ о б стати антитілопродукувальними плазматичними клітинами. Природні кілери (|\ІК-клітини) знищують клітини, інфіковані де якими мікроорганізмами, або ті, що були ушкоджені й не під лягають відновленню. ІЧК-клітини експресують інгібіторні ре цептори, щ о розпізнають молекули М НС, які зазвичай наявні на інтактних клітинах, і в такий спосіб запобігають їх знищенню. Антигенопрезентувальні клітини захоплю ю ть бактерії та інші антигени, переносять їх до лімфоїдних органів, де презен тую ть лімфоцитам для розпізнавання. Найефективнішими серед них є дендритні клітини, які містяться в епітелії та біль ш ості інш их тканин. Клітини імунної системи зосереджені в тканинах, деякі з яких слу гують місцем продукування зрілих лімфоцитів (генеративні лімфо їдні органи - кістковий мозок і тимус), а інші - ареною реалізації імунних реакцій (периферичні лімфоїдні органи, включаючи лім фатичні вузли, селезінку та мукозоасоційовані лімфоїдні тканини). Рання реакція на мікроорганізми зумовлена наявністю п р и Циркулюючі І§С мають період напіврозпаду близь ко 3 тиж., що значно перевищує період напіврозпаду більшості білків крові, унаслідок існування спеціаль них механізмів для рециркуляції І§С і сповільнення їх катаболізму. Деякі антитілопродукувальні плазма тичні клітини мігрують у кістковий мозок і живуть там родж еної імунної системи. її ком поненти включають епіте ліальні бар’єри, фагоцити, И К -кл ітини та білки плазми крові, наприклад система комплементу. П риродні імунні реакції часто проявляються як запалення. П ри р од ж е ний імунітет, на відміну від набутого, не має чітко ї специф ічності до антигенів або ім унологічної пам’яті. Реакції гіперчутливості: імуно-опосередковане ушкодження тканин • Захисні реакції набутого імунітету розвиваються повільно, але є більш потуж ним и і специфічними. конкретні ситуації, при яких імунні реакції призводять до розвитку захворювань. • Бактерії та інші чуж орідні антигени захоплюються дендрит ними клітинами й транспортую ться до лімфатичних вузлів, де вони розпізнаються наївними лімфоцитами. Лім ф оцити активуються, проліферують і диф еренціюються в ефекторні клітини та клітини пам’яті. • Клітинно-опосередкований імунітет є реакцією Т-лімфоцитів, призначених для боротьби з мікроорганізмами, щ о а со ц ій о вані із клітинами (наприклад, фагоцитовані м ікроби та м ікр о би в цитоплазмі інф ікованих клітин). Гуморальний імунітет реалізується антитілами і спрямований на позаклітинні м ікр о організми (які циркулю ю ть та локалізуються у слизових о б о лонках). • С 0 4 + Т-хелпери допомагаю ть В-лімфоцитам утворювати ан титіла, активують макрофаги для знищ ення ф агоцитованих ними мікроорганізмів, стимулюють мобілізацію лейкоцитів і регулюють всі імунні реакції на білкові антигени. Ф у н кц ії С 0 4 + Т-лімфоцитів забезпечуються секрецією білків, які на зивають цитокінами. • Ц итотоксичні С й 8 + Т-лімфоцити знищ ую ть клітини, які екс пресують антигени в цитоплазмі; останні розглядаються як чуж орідні (наприклад, клітини, уражені вірусом, та пухлинні клітини), а також можуть продукувати цитокіни. • Антитіла, утворені плазматичними клітинами, нейтралізують м ікроорганізми і блокують їхні патогенні властивості, сприя ють фагоцитозу та зн ищ е нню збудників. Антитіла та ко ж за безпечую ть пасивний імунітет у новонародж ених. Нижче представлений стислий опис основ імуноло гії, який допомагає зрозуміти патогенез захворювань імунної системи. Спочатку ми обговоримо імунні реак ції, які ініціюють ушкодження, - реакції гіперчутливос ті. Далі розглянемо стани, спричинені недостатньою толерантністю до власних антигенів, - аутоімунні розлади та реакції відторгнення трансплантатів. Потім обговоримо імунодефіцитні захворювання і завершимо амілоїдозом - станом, який часто пов'язаний з імунни ми та запальними захворюваннями. РЕАКЦІЇ ГІПЕРЧУТЛИВОСТІ: ІМУНООПОСЕРЕДКОВАНЕ УШКОДЖЕННЯ ТКАНИН Імунні реакції, які зазвичай є захисними, здатні також спричиняти ушкодження тканин. Такі реакції нале жать до імунних реакцій гіперчутливості, а захворюван ня, які виникають на їх підґрунті, називають хворобами гіперчутливості. Цей термін зумовлений гіпотезою, що особи, у яких формуються імунні реакції проти антиге ну, є сенсибілізованими до цього антигену, тому в них розвиваються патологічні або надмірні прояви гіпер чутливості. Зазвичай досконала система стримувань і противаг оптимізує ерадикацію патогенних чинників без вираженого ушкодження тканин організму. Проте імунні реакції можуть бути недостатньо керованими, або спрямованими проти нешкідливих антигенів, або неправильно орієнтованими на тканини організму; у таких випадках захисна реакція, як правило, зумовлює розвиток захворювання, у цій главі ми розглянемо при чини та загальні механізми захворювань, в основі яких лежать реакції гіперчутливості, а потім обговоримо Причини реакцій гіперчутливості Патологічні імунні реакції можуть бути спрямовані проти різних типів антигенів і виникати внаслідок різ номанітних порушень. • А ут оім унні реакц ії: р еа к ц ії проти власних ант и генів. Як правило, імунна система не реагує проти власних антигенів. Це явище отримало назву аутотолерантність, тобто організм «толерантний» до своїх антигенів. У випадках, коли аутотолерантність не спрацьовує, розвивається імунна реакція на влас ні клітини і тканини; такі реакції є аутоімунними. Захворювання, спричинені аутоімунними реакці ями, називають аутоімунними захворюваннями. До механізмів толерантності й аутоімунітету поверне мося пізніше в цій главі. • Р еакція проти м ікроорганізм ів. Існує багато типів реакцій проти мікробних антигенів, які можуть спри чинювати захворювання. У деяких випадках реакція може бути надмірною або антигени мікроорганізмів є надзвичайно стійкими. Антитіла, утворені проти таких мікробних антигенів, зв'язуються з ними, фор муючи імунні комплекси, які осідають у тканинах і провокують запалення. Наприклад, зазначений механізм є основним при розвитку постстрептококового гломерулонефриту (глава 14). Т-клітинні реакції проти стійких мікроорганізмів можуть призвести до тяжкого запалення, іноді з утворенням гранульом (глава 3). Цей механізм ушкодження тканин реалі зується при туберкульозі та інших інфекціях. Рідко (у виняткових випадках) антитіла або Т-клітини, що реагують із мікроорганізмами, вступають у перехрес ну реакцію із тканинами організму. Вважають, що така перехресна реакція є основою розвитку ревма тичної хвороби серця (глава 11). У деяких випадках імунна реакція, що спричинює захворювання, може бути цілком нормальною, але в процесі ерадикацїї інфекційних антигенів ушкоджуються тканини організму. При вірусних гепатитах збудник, який проникає в клітини печінки, не спричиняє цитопатичну дію, але імунна система розпізнає його як чужорідного агента. У цьому випадку гепатоцити ушкоджуються в результаті нормальної імунної від повіді, коли цитотоксичні Т-лімфоцити намагаються знищити клітини, інфіковані вірусом. • Р еа к ц ії проти ант и генів з н авколи ш нього сер едо вища. У майже 20 % населення алергійні реакції зумовлені звичними речовинами навколишнього середовища (наприклад, пилком рослин, шерстю тварин, пиловими кліщами), а також деякими йонами металів та лікарськими засобами. Такі осо би генетично схильні формувати атипову імунну відповідь на неінфекційні агенти. Як правило, це нешкідливі антигени, з якими контактують усі люди, і лише в деяких осіб імунна система реагує на них таким чином. У всіх перерахованих випадках ушкодження тка нин здійснюється шляхом реалізації механізмів, які зазвичай функціонують для усунення інфекційних чинників, а саме - антитіл, ефекторних Т-лімфоцитів 139 140 ГЛАВА 5 Захворювання імунної системи та інших ефекторних клітин. Основна проблема при аутоімунних захворюваннях полягає в тому, що імунна відповідь розвивається та підтримується неналежним чином. Оскільки подразники цих аномальних імунних реакцій важко або неможливо усунути (наприклад, аутоантигени, стійкі мікроорганізми або екологічні антигени), а імунна система має багато внутрішніх зво ротних зв'язків (які зазвичай сприяють захисному іму нітету), тому реакцію гіперчутливості, що розпочалася, складно контролювати або припинити. У зв'язку із цим аутоімунні захворювання, як правило, є хронічними й виснажливими. Оскільки запалення слугує основним компонентом у патогенезі цих порушень, вони згрупо вані під терміном «імунозалежні запальні захворювання». антигени, унаслідок чого утворюються комплекси антиген-антитіло, які депонуються у судинному рус лі й індукують розвиток запалення. Лейкоцити, які активуються (нейтрофіли і моноцити), спричинюють ушкодження тканин шляхом вивільнення лізосомальних ферментів та утворення токсичних вільних радикалів. • Т -к л іт и н н о-оп осер едк ов ан і р еа к ц ії (гіперчут ли віст ь IV типу) зумовлені переважно імунними реак ціями, в яких ТЬІ- та ТЬ17-субпопуляції Т-лімфоцитів продукують цитокіни, що зумовлюють розвиток запалення й активують нейтрофіли і макрофаги, які є причиною ушкодження тканин. СГ)8+ Т-лімфоцити також можуть призводити до ушкодження, безпосе редньо знищуючи клітини організму. Класифікація реакцій гіперчутливості Реакції гіперчутливості можна розділити на чотири типи за принципом реалізації основного механізму імунного ушкодження: є три варіанти антитілозалежних реакцій, а четверта - опосередкована Т-клітинами (табл. 5.2). Обгрунтування цієї класифікації полягає в тому, що механізм імунного ушкодження часто є хоро шим предиктором клінічних проявів і може допомог ти призначити ефективне лікування. Проте наведена класифікація імунозалежних захворювань є недоско налою, оскільки в патогенезі одного захворювання можуть розвиватись одночасно кілька імунних реакцій. Нижче описано основні типи реакцій гіперчутливості: • Гіперчут ливіст ь негай ного типу (тип І), яку часто називають алергійною. Ушкодження спричинене ТЬ2-клітинами, антитілами І§Е, тучними клітинами та іншими лейкоцитами. Тучні клітини вивільня ють медіатори, які діють на кровоносні судини і непосмуговані м'язи, а також цитокіни, які мобілізу ють й активують запальні клітини. • А нт гіт іло-опосередковані р еа к ц ії (гіперчут ли віст ь II типу) зумовлені утворенням антитіл І§С та І§М, які зв'язуються із фіксованими антигенами тка нин або клітинної оболонки. Антитіла ушкоджують клітини, спричиняючи їх подальший фагоцитоз або лізис, у результаті чого розвивається запалення. • Імунокомплексні реакц ії (гіперчутливість III типу). Антитіла І§С та І§М зазвичай зв'язують циркулюючі Гіперчутливість негайного типу (тип І) Гіперчутливість негайного типу (тип І) - це тка нинна реакція, яка відбувається швидко (зазвичай протягом кількох хвилин) після взаємодії антигену з антитілом І§Е, що локалізується на поверхні туч них клітин. Реакція ініціюється проникненням анти гену, який називають алергеном, оскільки він зумовлює алергію. Алергени - це речовини з навколишнього середовища, які в деяких осіб провокують розвиток алергійних реакцій. ТЬ2 та І§Е відповідають за клінічні й патологічні прояви реакції. Реакція негайного типу може бути місцевою, яка просто подразнює (напри клад, вазомоторний риніт, сінна гарячка), виснажли вою (бронхіальна астма) або навіть смертельно небез печною (анафілактичний шок). П ослідовніст ь р о зви т ку реакцій гіперчут ливост і негайного т ипу Більшість реакцій гіперчутливості мають стереотипну послідовність клітинних реакцій (рис. 5.12): • Акт ивація ТН2 т а продукування І%Е. Алергени можуть проникати шляхом інгаляції, всмоктуван ня або ін'єкції. Перемінні величини, які, ймовір но, сприяють розвитку надмірної реакції ТТі2 на алергени, включають: шлях проникнення, дозу і тривалість дії антигену, а також генетичні особ ливості організму. Незрозуміло, чи мають алергени Таблиця 5.2. Механізми реакцій гіперчутливості Тип Ім у н н и й м е х а н із м Г іс т о п а т о л о гіч н і з м ін и П риклади Гіперчутливість негай ного типу (І тип) Продукування І§Е —►негайний викид вазоактивних амінів та інших медіаторів тучними клітинами —*■ подальше накопичення прозапальних клітин Розширення судин, набряк, ско рочення непосмугованих м’язів, продукування слизу, ушкодження тканин, запалення Анафілаксія; алергія; бронхіаль на астма (атопічні форми) Антитіло-опосередкована реакція гіперчут ливості (II тип) Продукування І§С, І§М —►зв’язування з антигеном на клітині-мішені чи в тканині-мішені —►фагоцитоз або лізис клітини-мішені через активацію системи компле менту або через Рс-рецептори; мобілізація лейкоцитів Фагоцитоз та лізис клітин; за палення; при деяких захворюван нях - функціональні розлади без ушкодження клітин або тканин Аутоімунна гемолітична анемія; синдром Гудпасчера Імунокомплексна ре акція гіперчутливості (III тип) Відкладення комплексів антиген-антитіло —►активація системи комплементу —►мобілізація лейкоцитів, зумовлена компонентами системи комплементу та Рс-рецепторами —►вивільнення ферментів та інших токсичних молекул Запалення, некротичний васкуліт (фібриноїдний некроз) Системний червоний вовчак; деякі форми гломерулонеф риту; сироваткова хвороба; реакція Артюса Клітинно-опосередкована реакція гіперчутливості (IV тип) Активовані Т-лімфоцити —►(1) вивільнення цитокінів, запалення та активація макрофагів; (2) Т-клітинноопосередкована цитотоксичність Периваскулярні клітинні інфільтрати; набряк; формування гранульом; руйнування клітин Контактний дерматит; розсіяний склероз; цукровий діабет 1-го типу; туберкульоз Реакції гіперчутливості: імуно-опосередковане ушкодження тканин певні унікальні структури або хімічні властивості, які наділяють їх здатністю ініціювати ТЬ2-клітинну відповідь. Гіперчутливість негайного типу є прото типом ТЬ2-опосередкованої реакції. ТЬ2 секретують декілька цитокінів, включаючи ІЬ-4, ІЬ-5 та ІЬ-13, які й слугують причиною всіх реакцій негайного типу. ІЬ-4 стимулюють специфічні для алергену В-клітини шляхом перемикання класу важкого ланцюга на І§Е і секреції цього ізотипу імуноглобуліну. ІЬ-5 активує еозинофіли, які включаються в реакцію; ІЬ-13 діє на епітеліальні клітини і стимулює секрецію слизу. ТЬ2 часто мігрують у ділянки алергійної реакції у відповідь на локальне утворення хемокінів; один із таких хемокінів - еотаксин - також мобілізує еозино філи на місцевому рівні. • Сенсибілізація тучних кліт ин І%Е. Тучні клітин (мастоцити, лаброцити) походять від їх попере дників у кістковому мозку і значно поширені в тканинах, часто локалізуються поблизу кровонос них судин та нервів, а також субепітеліально. Тучні клітин експресують високоафінні рецептори до Рс-фрагментів е-класу важкого ланцюга І§Е, що нази ваються РсєКІ. Незважаючи на те що концентрація І§Е у сироватці крові дуже низька (від 1 до 100 мкг/ мл), спорідненість рецепторів БсєКІ тучних клітин настільки велика, що вони завжди захоплюють І§Е. Тучні клітин, що містять такі антитіла, реагують, якщо специфічний антиген (алерген) зв'язується з молекулами антитіла. Базофіли - клітини, подібні до лаброцитів, які циркулюють у крові. Вони також експресують рецептори РсєКІ, але їх роль у розви тку більшості реакцій негайного типу не встанов лена (оскільки ці реакції відбуваються в тканинах, а більшість базофілів циркулює у крові). Третій тип клітин, що експресують РсєКІ, - це еозинофіли, які часто беруть участь у реакціях негайного типу. • Активація тучних клітин і вивільнення медіат орів. Якщо людина, яка була сенсибілізована внаслідок попереднього впливу алергену, повторно контактує з ним, відбувається зв'язування алергену з антигеноспецифічними молекулами І§Е на тучних клітинах, як правило, у місцях проникнення алергену або поблизу нього. Перехресне з'єднання цих молекул спричинює серію біохімічних сигналів, які завершуються вивіль ненням медіаторів із тучних клітин. Три групи медіаторів відіграють важливу роль у різ них реакціях гіперчутливості негайного типу: • Вазоактивні аміни. Гранули тучних клітин містять гіс тамін, який вивільняється протягом кількох секунд або хвилин після активації. Гістамін спричинює вазодилатацію, підвищує проникність судин, скорочує непосмуговані м'язи і посилює секрецію слизу. До інших медіаторів, які швидко вивільняються, нале жать хемотаксичні фактори для нейтрофілів та еози нофілів; нейтральні протеази (наприклад, триптази), які можуть ушкоджувати тканини, а також проду кувати кініни й розщепляти компоненти системи комплементу, унаслідок чого утворюються додаткові хемотаксичні й запальні фактори (наприклад, С5а; глава 3). Гранули також містять кислі протеоглікани (гепарину сульфат, хондроїтину сульфат), основна функція яких, можливо, полягає в тому, що вони є матриксом для зберігання амінів. Алерген (наприклад, пилок рослин) Поверхня слизової оболонки Вазоактивні аміни, ліпідні медіатори Реакція гіперчутливості не гайного типу (хвилини після повторного впливу алергену) Цитокіни Пізня фаза реакції (2— 24 год після повтор ного впливу алергену) Рис. 5.12. П осл ід овність р о з в и тку р е а к ц ії гіп ерчутл ивості н е га й н о го т и п у (І т и п ). Реакція негайного типу ініціюється вна слідок потрапляння алергену, який стимулює ТЬ2 та продукування І§Е у генетично схильних осіб. І§Е приєднується до Рс-рецептора (РсєКІ) тучних клітин; повторний вплив алергену активує тучні клітини, і вони секретують медіатори, які зумовлюють патологічні прояви реакції гіперчутливості негайного типу. Скорочення - див. текст Щойно синтезовані ліпідні медіатори. Тучні клітини синтезують і виділяють простагландини та лейко трієни тим самим шляхом, що й інші лейкоцити (гла ва 3). Ці ліпідні медіатори виконують низку функ цій і відіграють важливу роль у реакціях негайного типу. Простагландин В 2 (ПГО,) є найпоширенішим медіатором, який утворюється циклооксигеназним 141 142 ГЛАВА 5 Захворювання імунної системи шляхом у тучних клітинах; він зумовлює вираже ний бронхоспазм, а також посилює секрецію слизу. Лейкотрієни С4 і 0 4 - це найпотужніші вазоактивні та спазмогенні сполуки; вони в кілька тисяч разів активніше, ніж гістамін, підвищують проникність судин і зумовлюють скорочення непосмугованих м'язів бронхів. Лейкотрієн В4 має високі хемотаксичні властивості щодо нейтрофілів, еозинофілів та моноцитів. • Цитокіни. Активація тучних клітин призводить до синтезу й секреції певних цитокінів, необхідних для розвитку пізньої фази імунних реакцій. До них належать ТИР і хемокіни, які мобілізують й акти вують лейкоцити (глава 3), а також ІЬ-4 та ІЬ-5, які посилюють імунну реакцію, ініційовану ТЬ2. Зрозуміло, що реакції негайної типу розвиваються не для того, щоб спричинити дискомфорт чи захво рювання. Т1і2-клітинна відповідь відіграє важливу захисну роль у боротьбі з паразитарними інфекціями. І§Е орієнтовані на знищення гельмінтів за допомогою еозинофілів і тучних клітин. Тучні клітини також беруть участь у захисті від бактеріальних інфекцій. Шанувальникам змій буде цікаво знати, що тучні клітини можуть захищати їх від деяких зміїних отрут шляхом секреції депонованих у гранулах протеаз, які руйнують токсини. Залишається загадкою, чому ці корисні реакції неадекватно активуються нешкідливи ми антигенами навколишнього середовища, призводячи до виникнення алергії. Розвиток алергії Схильність до реакцій гіперчутливості негайного типу генетично зумовлена. Підвищену схильність до розвитку таких реакцій називають птопією. Особи з атопією, на відміну від загальної популяції, мають тенденцію до підвищеного рівня в сироватці крові І§Е та ІЬ-4, які продукуються ТН2-клітинами. Вивчення сімейного анамнезу показує, що алергія розвивається у 50 % осіб з атопією. Причини спадкової атопії не до кінця зрозумілі. Гени, асоційовані зі схильністю до аст ми та інших атопічних розладів, включають такі, що кодують: молекули НЬА, які зумовлюють імунну чут ливість до специфічних алергенів; цитокіни, що здатні контролювати ТН2-клітиииу відповідь; молекули мета лопротеїназ, які можуть залучатися до ремоделювання тканин у дихальних шляхах; а також компоненти РсєКІ та АОАМЗЗ. Екологічні чинники відіграють важливу роль у роз витку алергійних захворювань. Вплив забруднювачів довкілля є важливою причиною розвитку алергії, що доволі поширена у промислово розвинених країнах. Слід зазначити, що собаки і кішки, які живуть у тому самому середовищі, що й людина, теж схильні до роз витку алергії, на відміну від шимпанзе, які живуть у дикій природі, незважаючи на їх набагато більшу гене тичну схожість із людиною. Це просте спостереження дає змогу припустити, що чинники навколишнього середовища можуть бути важливішими у розвитку алергійних хвороб, ніж генетика. Вірусні інфекції дихальних шляхів також є важливими тригерами для бронхіальної астми - алергійної хвороби, що уражує легені (глава 13). Бактеріальні інфекції шкіри тісно пов'язані з атопічним дерматитом. За різними оцінками, від 20 до ЗО % випадків реакцій гіперчутливості негайного типу спричинюють не анти гени, а такі чинники, як різкі перепади температури та фізичне навантаження, без участі ТІЇ2 або І§Е. Вважають, що в цих випадках тучні клітини є аномально чутливи ми до активації різними неімунними подразниками. У розвинених країнах частота багатьох алергій них захворювань зростає. Припускають, що це може бути пов'язано зі зменшенням кількості інфекцій у ранньому віці. Такі спостереження сформували дум ку (яку іноді називають гіпотезою гігієни), що вплив мікробних антигенів у ранньому дитинстві й навіть у пренатальний період формує здатність імунної сис теми запобігати патологічним реакціям на екологічні алергени. Отже, занадто багато гігієни в дитинстві може посилити алергію в подальшому житті. Гіпотеза про те, що експозиція антигенів у ранньому дитячому віці може зменшити прояви алергії на ці антигени в наступні періоди, отримала підтвердження в клінічних випробуваннях: наприклад, контакт немовлят з арахі сом зменшує частоту алергії на цей продукт у подаль шому житті. К л ін іч н і т а пат ологічні прояви Часто І§Е-ініційована реакція має дві чітко визначені фази (рис. 5.13): 1) негайна фаза, яка ініціюється вмістом гранул тучних клітин та ліпідними медіаторами і характеризуєть ся вазодилатацією, підвищеною проникністю судин та спазмом непосмугованих м'язів. Така реакція триває протягом 5-30 хв після впливу алергену й згасає через 60 хв; 2) пізня фаза, стимульована переважно цитокінами, зазвичай розвивається через 2-8 год, може тривати кілька днів і характеризується розвитком запалення, а також ушкодженням тканин, насамперед епітелію слизової оболонки. Домінантними запальними клі тинами пізньої фази є нейтрофіли, еозинофіли та лімфоцити, зокрема ТЬ2. Мобілізацію нейтрофілів зумовлюють різні хемокіни, їх роль при запаленні описано у главі 3. Еозинофіли мобілізуються еотаксином та іншими хемокінами, які продукує епіте лій, і є важливими ефекторними клітинами при ушкодженні тканин у пізній фазі імунної реакції. Еозинофіли синтезують головний основний білок (МВР - англ. та]ог Ьазіс ргоіеіп) та еозинофільний каті онний білок, які токсичні для епітеліальних клітин, а також лейкотрієн С4 і фактор активації тромбоци тів - медіатори, що зумовлюють розвиток запалення. ТЬ2 продукують цитокіни, які мають багато функ цій, про що йшлося раніше. Мобілізовані лейкоцити можуть посилювати і підтримувати запальну реак цію, навіть за відсутності постійного впливу алерге ну. Окрім того, активовані лейкоцити зумовлюють більшу частину ушкоджень епітеліальних клітин у разі виникнення реакцій гіперчутливості негайного типу. Оскільки запалення є основним компонентом багатьох алергійних захворювань, зокрема астми й атопічного дерматиту, їх лікування включає проти запальні препарати, такі як глюкокортикоїДи. Реакції негайного типу можуть спричиняти як системні розлади, так і місцеві прояви (табл. 5.3). Шлях потрапляння антигену в організм часто визначає Реакції гіперчутливості: імуно-опосередковане ушкодження тканин / . , > * Еозинофіли _ * 0 * # 4 • * * * ** • »> • * - « , *9 Ь І Ч Лб, «№ о «Р і Час після впливу алергену Рис. 5 .1 3 . Ф а з и р е а к ц ії гіп ерчутл ивості н е га й н о го ти п у : А - механізм негайної і пізньої фаз. Негайна реакція судин і непосмугованих м'язів на алерген розвивається протягом кількох хвилин після потрапляння алергену (дія алергену на сенсибілізований організм), а пізня фаза через 2-24 год. Б - негайна фаза проявляється вазодилатацією, повнокрів’ям і набряком. В - пізня фаза характеризується наявністю запального інфільтрату, багатого на еозинофіли, нейтрофіли і Т-лімфоцити. (Люб'язно надано Ог. 0. ГгіепсІ, 0 ераПтепі о[РаґНоІо§у, Вгі§Ьат апсі Мотеп’з НозріїаІ, Возіоп, МаззасІїизеПз.) характер реакції. Системний вплив антигенів білкової природи (наприклад, бджолиної отрути) або лікар ських засобів (наприклад, пеніциліну) може призвес ти до системної анафілаксії. У сенсибілізованих осіб протягом кількох хвилин після експозиції антигену з'являються свербіж, кропив'янка та еритема шкіри; далі дихання стає утрудненим унаслідок бронхообструкцїї та вираженої гіперсекреції слизу. Набряк гор тані може спричинити обструкцію верхніх дихальних шляхів. Окрім того, можливе ураження м'язів травного тракту, унаслідок чого виникають блювання, спазм органів черевної порожнини та діарея. Без негайного втручання є висока вірогідність системної вазодилатації зі зниженням артеріального тиску (анафілактичний шок), що в разі прогресування призводить до циркуляторного колапсу і смерті протягом кількох хвилин. Місцеві реакції зазвичай розвиваються, якщо анти ген обмежується певною локалізацією: шкіра (після контакту), травний тракт (після потрапляння всереди ну) або легені (після вдихання). Приклади локалізова них алергійних реакцій - атонічний дерматит, харчова алергія, поліноз (сінна гарячка) та деякі форми астми. Проте потрапляння з їжею або вдихання алергенів може спричинити і системні реакції. РЕЗЮ М Е ГІПЕРЧУТДИВІСТЬ НЕГАЙНОГО Т И П У (І ТИП) Гіперчутливість негайного ти п у називають та ко ж алергійною реакцією, або алергією. Гіперчутливість І ти п у індукується антигенами з навколиш нього середовища (алергенами), які стимулюють потуж ні реакції ТЬ2 і продукування І§Е у генетично схильних осіб. І§Е опсонізую ть тучні клітини шляхом зв’язування з рецеп тором РсєКІ; п овторний вплив алергену призводить до пе рехресного зв’язування І§Е і РсєКІ, активації ту ч н и х клітин і вивільнення медіаторів. О сновним и медіаторами є гістамін, протеази та інш і ко м п о ненти гранул т у ч н и х клітин; простагландини і лейкотрієни; цитокіни. Медіатори зумовлюють розвиток негайної фази - реакції су дин та непосмугованих м’язів, а та ко ж пізньої фази (запален ня). Таблиця 5.3. Приклади розладів, спричинених реакціями гіперчутливості негайного типу К л ін іч н и й синдром Клініко-патологічні прояви Анафілаксія (може бути спричинена ліками, уку сами бджіл, продуктами харчування) Зниження артеріального тиску (шок), зумовлене розширенням судин; обструк ція дихальних шляхів унаслідок набряку гортані Бронхіальна астма Обструкція дихальних шляхів, зумовлена гіперреактивністю непосмугованих м’язів бронхів; запалення та ушкодження тка нин, спричинене реакціями пізньої фази Алергійний риніт, синусит (сінна гарячка) Посилена секреція слизу; запалення верхніх дихальних шляхів і приносових пазух Харчова алергія Посилена перистальтика внаслідок скорочення м’язів кишкової стінки, що зумовлює блювання та діарею Клінічні прояви можуть бути місцевими або системними, ва рію ю ть від незначного, але тривалого риніту до фатальної анафілаксії. Антитіло-опосередковані хвороби (гіперчутливість II типу) Антитіло-опосередковані розлади (гіперчутливість II типу) реалізуються антитілами, дія яких спрямована проти конкретних антигенів, розміщених на поверх ні клітин або інших компонентів тканин. Антигени можуть бути звичайними молекулами клітинних обо лонок або позаклітинного матриксу, а також адсорбо ваними як екзогенні антигени (наприклад, метаболіти лікарських засобів). Такі реакції можуть слугувати при чиною виникнення деяких захворювань (табл. 5.4). 143 ГЛАВА 5 Захворювання імунної системи Таблиця 5.4. Приклади антитіло-опосередкованих захворювань (II тип гіперчутливості) Захворювання Таргетний антиген М еханізм захворювання Клініко-патологічні прояви Аутоімунна гемолітич на анемія Мембранні протеїни еритроцитів Опсонізація та фагоцитоз еритроцитів Гемоліз, анемія Аутоімунна тромбоцитопенічна пурпура Мембранні протеїни тромбоцитів (СрІІЬ/ІІІа інтегрин) Опсонізація та фагоцитоз тромбоцитів Кровотечі Вульгарний пемфігус Протеїни міжклітинних з’єднань епі дермісу (десмоглеїни) Антитіло-опосередкована активація протеаз, порушення міжклітинної адгезії Шкірні пухирі (були) Васкуліт, спричинений наявністю АІЧСА Протеїни гранул, що, ймовірно, про дукуються активованими нейтрофілами Дегрануляція нейтрофілів і запалення Васкуліт Синдром Гудпасчера Протеїни базальних мембран нирко вих клубочків та альвеол Комплемент- та Рс-рецепторопосередковане запалення Нефрит, легенева кровотеча Гостра ревматична гарячка Антиген клітинної стінки стрептококів; перехресна реакція антитіл із міокардіальними антигенами Запалення, активація макрофагів Міокардит, артрит Міастенія Ацетилхолінові рецептори Антитіло інгібує зв’язування ацетилхоліну, знижує активність рецепторів М’язова слабкість, параліч Хвороба Грейвса (гіпертиреоз) ТТГ-рецептори Антитіло-опосередкована стимуляція ТТГ-рецепторів Гіпертиреоз Перніціозна анемія Внутрішній фактор парієтальних клітин слизової оболонки шлунка Нейтралізація внутрішнього фактору, зниження абсорбції вітаміну В12 Спотворений еритропоез, анемія АЛ/СА - антинейтрофільні цитоплазматичні антитіла; ТТГ - тиреотропний гормон. М еханізм и ант ит іло-опосередкованих хвороб Антитіла спричинюють розвиток захворювання шляхом орієнтації клітин на фагоцитоз, активації системи комплементу або перешкоджання нор мальному функціонуванню клітин (рис. 5.14). Такі антитіла є високоафінними, вони здатні активувати систему комплементу і зв'язуватися із Рс-рецепторами фагоцитів. • О псонізація т а ф агоцит оз. Коли циркулюючі клі тини, такі як еритроцити або тромбоцити, вкрива ються (опсонізуються) аутоантитілами в комплексі з білками системи комплементу або без них, то стають мішенню для фагоцитозу їх нейтрофілами й макрофагами (рис. 5.14, А). Фагоцити експресують Рс-рецептори для хвостових ділянок 1§С-антитіл і продуктів розщеплення системи комплементу, зокрема СЗ, використовуючи їх для зв'язування та фагоцитозу опсонізованих клітин. Останні зазвичай елімінуються в селезінці, саме тому спленектомія є обґрунтованою при деяких антитіло-опосередкованих захворюваннях. Антитіло-опосередковане ушкодження клітин і фагоцитоз відбуваються при таких клінічних ситуаціях: 1) трансфузійні реакції, під час яких клітини від несумісного донора реагують із попередньо утвореними антитілами реципієнта (глава 12); 2) гемолітична хвороба новонароджених (феталь ний еритробластоз), при якій І§С-антиеритроцитарні антитіла матері проникають через пла центарний бар'єр і спричиняють руйнування еритроцитів плода (глава 7); 3) аутоімунна гемолітична анемія, агранулоцитоз і тромбоцитопенія, унаслідок яких в організмі людини продукуються антитіла до власних клі тин крові (глава 12); 4) певні реакції на лікарські засоби, при яких лікар ська речовина зв'язується з білками плазматич ної мембрани еритроцитів, відповідно, антитіла продукуються проти комплексу білок-лікарська речовина. • Запалення. Антитіла, які з'єднуються із клітинними або тканинними антигенами, активують систему комплементу за класичним шляхом (рис. 5.14, Б). Продукти її активації мають кілька функцій (див. рис. 3.11, глава 3), одна з яких - мобілізація нейтрофі лів і моноцитів, що спричинює розвиток запалення в тканинах. Лейкоцити також можуть активуватися шляхом залучення Рс-рецепторів, які розпізнають зв'язані антитіла. Антитіло-опосередковане запа лення зумовлює ушкодження тканин при деяких формах гломерулонефриту, реакцію відторгнення трансплантованих органів та інші розлади. • А нт ит іло-опосередкована дисфункція клітин. У деяких випадках антитіла, дія яких спрямована проти білків організму, погіршують або порушують регуляцію важливих функцій, не зумовлюючи безпо середнє ушкодження чи запалення (рис. 5.14, В). При міастенії антитіла проти рецепторів ацетилхоліну в моторних рецепторах скелетних м'язів пригнічують нервово-м'язову передачу, що призводить до м'язової слабкості. Антитіла також можуть надмірно стиму лювати функції клітин. При хворобі Грейвса (дифуз ний токсичний зоб, хвороба Базедова) антитіла про ти рецепторів тиреотропного гормону стимулюють епітеліальні клітини щитоподібної залози до секреції гормонів, що призводить до розвитку гіпертиреозу. Антитіла проти гормонів та інших важливих білків можуть нейтралізувати і блокувати дію цих молекул, зумовлюючи функціональні розлади. Імунокомплексні хвороби (гіперчутливість III типу) Імунні комплекси антиген-антитіло, які утворю ються у кровоносному руслі, можуть відкладатися у судинній стінці і призводити до активації системи комплементу та розвитку гострого запалення. Рідше Реакції гіперчутливості: імуно-опосередковане ушкодження тканин А ОПСОНІЗАЦІЯ ТА ФАГОЦИТОЗ Фагоцитована / клітина Опсонізована Рс-рецептор клітина А х 4 ч ^ я йГ ІМ сзь- Фагоцит РеЧептоР Фагоцитоз Активація системи комплементу Б ЗАПАЛЕННЯ, ОПОСЕРЕДКОВАНЕ КОМПЛЕМЕНТОМ ТА Рс-РЕЦЕПТОРОМ рецептор Нейтрофіл, ферменти, активні форми кисню Продукти активації системи • комплементу Ш (С5а, СЗа) Запалення та ушкодження тканини Активація системи комплементу В КЛІТИННА ДИСФУНКЦІЯ, ОПОСЕРЕДКОВАНА АНТИТІЛОМ Ацетилхолін (АЦХ) Нервове закінчення Антитіла до АЦХ-рецептора Антитіло проти ----ТТГ-рецептора ТТГрецептор Епітеліальні клітини щито подібної залози АЦХрецептор Гормони щитоподібної залози Антитіло пригнічує зв'язування нейромедіатора з рецептором Антитіло стимулює рецептор без гормона Рис. 5 .1 4 . М е х а н ізм а н т и т іл о -о п о с е р е д к о в а н и х розладів: А - опсонізація клітин антитілами і компонентами системи комплементу та поглинання їх макрофагом. Б - запалення індукується зв’язуванням антитіл із Рс- та рецепторами лейкоцитів, а також продуктами розпаду білків комплементу. В - антирецепторні антитіла порушують нормальну функцію рецепторів. У наведених прикладах антитіла проти рецепторів аце тилхоліну погіршують нервово-м’язову передачу при міастенії, а антитіла проти рецептора до тиреотропного гормону (ТТГ) активують клітини щитоподібної залози при хворобі Грейвса імунні комплекси формуються в ділянках попередньо го накопичення антигену (так звані імунні комплекси іп зііи). Антигени, які утворюють імунні комплекси, можуть бути екзогенними (наприклад, чужорідний білок, який проникає в тканини чи синтезується інфек ційними агентами) або ендогенними, коли організм людини продукує антитіла проти власних антигенів (аутоімунітет). Приклади порушення функції імун ної системи та пов'язані з ними антигени наведено в табл. 5.5. Імунокомплексні захворювання, як правило, є системними, але переважно уражуються нирки (гло мерулонефрит), суглоби (артрит) і дрібні кровоносні судини (васкуліт), тобто ушкодження локалізуються в найбільш характерних ділянках депонування імунних комплексів. Сист емна імунокомплексна хвороба Гостра сироваткова хвороба є прототипом системного імунокомплексного захворювання. Колись вона була частим ускладненням після введення великої кіль- Таблиця 5.5. Приклади імунокомплексних захворювань Захворювання Таргетний антиген Клініко-патологічні прояви Системний червоний вовчак Ядерні антигени (циркулюючі або «осілі» в нирках) Нефрит, ураження шкіри, артрит, інші прояви Постстрептококовий гломерулонефрит Антиген(-и) клітинної стінки стрептококів; можуть «осі дати» на мембранах ниркових клубочків Нефрит Вузликовий поліартеріїт У деяких випадках антигени вірусу гепатиту В Системний васкуліт Реактивний артрит Бактеріальні антигени (наприклад, Уегзіпіа) Гострий артрит Сироваткова хвороба Різноманітні протеїни (наприклад, білки чужорідної сироватки - антитимоцитарні кінські глобуліни) Артрит, васкуліт, нефрит Реакція Артюса (експериментальна) Різноманітні чужорідні білки Шкірний васкуліт ГЛАВА 5 Захворювання імунної системи кості чужорідної сироватки (наприклад, сироватки імунізованих коней, яку використовували для ліку вання дифтерії). Нині ця хвороба трапляється рідко, зазвичай в осіб, які отримують антитіла від інших людей або видів тварин (наприклад, кінський або кролячий антитимоцитарний глобулін, призначений для виснаження Т-клітин у реципієнтів після транс плантації органів). Тим не менше, отримані знання багато в чому розкрили патогенез імунокомплексних порушень. Патогенез системної імунокомплексної хвороби можна розділити на три фази (рис. 5.15). Формування імунних комплексів Уведення білкового антигену зумовлює імунну від повідь, що призводить до утворення антитіл, зазви чай приблизно через 1 тиж. після ін'єкції білка. Циркулюючий Формування імунного комплексу Потрапляючи в кров, ці антитіла взаємодіють з анти геном, який усе ще наявний у кровоносному руслі, де вони формують комплекси антиген-антитіло. Депонування імунних комплексів На наступному етапі циркулюючі комплекси анти ген-антитіло осідають у різних тканинах. Чинники, що визначають, чи призведе формування імунних комплексів до їх депонування у тканинах і розвитку захворювання, не повністю зрозумілі, але основними, мабуть, є характеристики самих комплексів та місцевих судинних змін. Як правило, найбільшу патогенність мають комплекси середнього розміру, які формуються при незначному надлишку антигену. Органи, в яких кров фільтрується під високим тиском для утворення інших рідин (наприклад, сечі чи синовіальної ріди ни), - це ділянки, де імунні комплекси концентруються і депонуються. Отже, при імунокомплексному захворю ванні часто уражуються ниркові клубочки та суглоби. Запалення та ушкодження тканин Після депонування в тканинах імунні комплекси ініціюють гостру запальну реакцію через активацію системи комплементу та взаємодію із Рс-рецепторами лейкоцитів. Зазвичай такими антитілами є І§С або І§М. Білки системи комплементу можна виявити у вогнищі ушкодження. Споживання цих білків під час актив ної фази захворювання знижує рівень СЗ у сироватці крові, що можна використовувати як діагностичний маркер ступеня активності захворювання. На цьому етапі (приблизно через 10 днів після введення анти гену) з'являються такі клінічні ознаки, як гарячка, кропив'янка, біль у суглобах (артралгія), збільшення лімфатичних вузлів та протеїнурія. Депонування імун них комплексів у будь-якій ділянці призводить до сте реотипного ушкодження тканин. Наслідки запалення називають васкулітом, якщо воно виникає у кровонос них судинах; гломерулонефритом, якщо ушкоджують ся ниркові клубочки; артритом, якщо це відбувається в суглобах, тощо. 0 М О Р Ф О Л О Г ІЯ іШиЯЛгіШИИИИН йя -. О сновним морф ологічним проявом ім уноком плексного ура ж ення є гострий васкуліт, пов’язаний із ф ібриноїдним не кр о зом судинної стінки та вираж еною інфільтрацією нейтрофіла антитіло Запалення, опосередковане ми (див. рис. 3.12, глава 3). У разі депонування в нирках імунні комплекси можна виявити за д о п о м о го ю імуноф люоресцентної м ікро скоп ії (у вигляді гранулярних депозитів імуноглобуліну і білків системи комплементу) та електронної м ікроскопії (у ви гляді щільних депозитів уздовж базальних мембран ниркових клубочків; див. рис. 5.24). П ри гострій сироватковій хворобі, індукованій одноразовим уведенням високої дози антигену, патологічні процеси, як пра вило, завершуються ф агоцитозом і деградацією імунних ком плексів. Х р о нічн а форма сироваткової хво р о б и зумовлена п о вторним або тривалим впливом антигену. Це трапляється при низці захворювань, зокрема системному червоному вовчаку (СЧВ), щ о асоціюється із персистентними реакціями антитіл на аутоантигени. П ри багатьох захворюваннях морфологічні зміни та інші ознаки свідчать про депонування імунних комплексів, але провокувальний антиген залишається невідомим. Д о цієї ка Рис. 5 .1 5 . Ім у н о к о м п л е кс н а х в о р о б а . Послідовні фази патогене зу системних імунокомплексних захворювань (гіперчутливість III типу) тегорії захворювань належать мембранозний гломерулонефрит і деякі васкуліти. Реакції гіперчутливості: імуно-опосередковане ушкодження тканин Т-клітинно-опосередковані хвороби (гіперчутливість IV типу) Локалізоване імунокомплексне захворю вання (реакція А рт ю са) Прикладом локалізованих імунокомплексних захво рювань є реакція Артюса, при якій у тканинах утворю ється вогнище некрозу внаслідок гострого імунокомплексного васкуліту. Реакція провокується шляхом ін'єкції антигену в шкіру раніше імунізованої твари ни, в якої вже утворилися відповідні антитіла. Імунні комплекси формуються, оскільки антиген дифундує у судинну стінку в місці ін'єкції, зумовлюючи таку саму запальну реакцію та гістологічні зміни, як і при сис темному імунокомплексному захворюванні. Реакція Артюса розвивається протягом кількох годин, сягаючи піку через 4-10 год після введення, коли в місці ін'єкції виникають набряк та крововилив, іноді з наступним утворенням виразки. РЕЗЮ МЕ ПАТОГЕНЕЗ ЗАХВОРЮВАНЬ, СПРИЧИНЕНИХ АН ТИТІЛАМ И ТА ІМ УННИМИ КОМПЛЕКСАМИ С 0 4 + Т-кліт инно-опосередковане запалення • А н титіл а м ож уть вкривати (о п со н ізува ти ) кл іти н и в ко м плексі із білками систем и ко м пл е м е нту або без ни х, на ціл ю ю чи на о п с о н ізо ва н і кл ітин и ф агоцити (макроф аги), які своєю ч е р го ю е кспр е сую ть Рс-рецептори до хво сто в и х частин І§С та білків системи комплементу. Результатом є елімінація о п с о н ізо в а н и х клітин. • Антитіла й імунні комплекси можуть депонуватися в тка нинах або кр о во н осн их судинах і зумовлювати гостру за пальну реакцію шляхом активації системи комплементу, із вивільненням уш коджувальних чинн иків або шляхом залу чення Рс-рецепторів лейкоцитів. Запальна реакція с п р и ч и нює уш кодж ення тканин. • Антитіла можуть зв’язуватися із поверхневими рецепторами або інш ими важливими молекулами, призводячи до ф ункціо нальних розладів без уш кодж ення клітин (інгібіторна дія, або нерегульована активація). Нині відомо, що Т-клітини зумовлюють деякі аутоімунні розлади і патологічні реакції на стійкі мікроорганіз ми або хімічні речовини навколишнього середовища (табл. 5.6). Ушкодження тканин і розвиток захворювань здатні спричинювати два типи Т-клітинних реакцій: 1) цитокін-опосередковане запалення, при якому цитокіни продукуються переважно СБ4+ Т-лімфоцитами; 2) Т-клітинно-опосередкована цитотоксичність, зумов лена С08+ Т-лімфоцитами (рис. 5.16). Ця група захво рювань має величезний клінічний інтерес, оскільки Т-лімфоцити все частіше визнають основним ком понентом хронічних запальних захворювань. Для зазначених захворювань розроблено низку нових, раціональних методів лікування, що спрямовані на аномальні Т-клітинні реакції. У реакціях гіперчутливості, опосередкованих С 04+ Т-лімфоцитами, цитокіни, що синтезують ся Т-клітинами, індукують запалення, яке може бути хронічним та деструктивним. Прототипом Т-клітинно-опосередкованого запалення є гіперчутли вість сповільненого типу (ГСТ) - реакція тканин на вве дення екзогенних антигенів. При цій реакції антиген, уведений у шкіру попередньо імунізованої людини, проявляється шкірною реакцією протягом 24-48 год (звідси термін «сповільненого типу», на відміну від гіпер чутливості негайного типу). Як було описано вище, наївні Т-клітини активу ються у периферичних лімфоїдних органах шляхом розпізнавання пептидних антигенів, які презентують дендритні клітини. Т-лімфоцити диференціюються в ефекторні клітини під впливом різних цитокінів (див. рис. 5.9 і 5.10). Класична Т-клітинно-опосередкована гіперчутливість - це реакція ефекторних ТЬІ. Однак ТЬ І 7 також можуть сприяти розвитку реакції, особли- Таблиця 5.6. Т-клітинно-опосередковані захворювання (гіперчутливість IV типу)* Специфічна реакція патогенних Т-клітин Основні механізми у ш ко д ж ен ня тканин Клініко-патологічні прояви Ревматоїдний артрит Колаген? Власні циркулюючі протеїни? Запалення, опосередковане дією цитокінів, які продукуються ТИ 17 (і ТИ1 ?); роль антитіл та імунних комплексів? Хронічний артрит із запален ням, деструкцією суглобового хряща Розсіяний склероз Білкові антигени мієліну (наприклад, осно вний білок мієліну) Запалення, опосередковане цитокінами, які продукуються ТЬ1 і ТЬ17, деструкція мієліну й активація макрофагів Демієлінізація речовини ЦНС із периваскулярним запален ням; параліч Цукровий діабет 1-го типу Антигени р-клітин підшлункової залози (інсулін, декарбоксилази глутамінової кислоти та ін.) Т-клітинно-опосередковане запалення, де струкція острівцевих клітин цитотоксичними Т-лімфоцитами Інсуліт (хронічне запален ня острівців), руйнування Р-клітин; цукровий діабет Запальні захворювання кишок Кишкові бактерії; власні антигени? Запалення, опосередковане цитокінами, які продукуються ТН1 і ТИ 17 Хронічне запалення кишок, непрохідність кишок Псоріаз Невідомо Запалення, переважно опосередковане цитокі нами, які продукуються ТИ 17 Деструктивні бляшки на шкірі Контактна чутливість Різні хімічні агенти навколишнього середовища (наприклад, урушіол плюща чи отруйного дуба; деякі лікарські засоби) Запалення, опосередковане дією цитокінів, які продукуються ТН1 (і ТЬ17?) Некроз епідермісу, запален ня шкіри, висип на шкірі та пухирі Захворювання * Наведені приклади захворювань людини, опосередкованих дією Т-лімфоцитіїв. У багатьох випадках виявлені специфічність Т-лімфоцитів і механізми ушкодження тканин на основі схожості захвоювань, відтворених на експериментальних моделях. 147 ГЛАВА 5 Захворювання імунної системи А ЦИТОК1Н-ОПОСЕРЕДКОВАНЕ ЗАПАЛЕННЯ Цитокіни С04+ Запалення Т-лімфо- й^--..• ■ П і АПК презентує антиген тканині Ушкодження тканини Інтактна тканина Б Т-КЛІТИННО-ОПОСЕРЕДКОВАНИЙ ЦИТОЛІЗ Кілінг клітин та ушкодження тканини СР8 + Т-лімфоцити АПК презентує антиген тканині Рис. 5 .1 6 . М е х а н ізм и Т -к л іт и н н о -о п о с е р е д к о в а н и х р е а к ц ій (гіпер чутл и в ість IV т и п у ): А - С 0 4 + ТЬ1 -клітини (й інколи С Р 8+ Т-лімфоцити, не показано) реагують на тканинні антигени шляхом секреції цитокінів, які стимулюють запалення та активують фагоцити, що призводить до ушкодження тканин. С 0 4 + Т М 7-клітини зумовлюють розвиток запалення шляхом залучення нейтрофілів (меншою мірою - моно цитів). Б - при деяких хворобах С Р 8 + цитотоксичні Т-лімфоцити безпосередньо знищують клітини тих тканин, що експресують внутрішньоклі тинні антигени (показані як оранжеві пластинки всередині клітин). А П К - антигенопрезентувальна клітина во, коли у запальному інфільтраті переважають ней трофіли. ТЬІ секретують цитокіни, переважно ІРИ-у, які зумовлюють багато проявів реакцій сповільненого типу. ІРІМ-у-активовані (класично активовані) макро фаги продукують речовини, які руйнують мікроорга нізми й ушкоджують тканини, а також медіатори, що сприяють розвитку запалення (глава 3). Активовані ТЬІ 7 секретують цитокіни, які мобілізують нейтрофіли та моноцити. ні прояви активації; вони стають великими, схожими на плоский епітелій, та еозинофільними, тобто транс формуються в так звані епітеліоїдні клітини. Останні іноді зливаються під впливом цитокінів (наприклад, ІРМ-у) з утворенням багатоядерних гігантських клі- К л ін іч н і приклади запальних реакцій, опосередкованих С 04+ Т-лімфоцитами Класичним прикладом ГСТ є туберкулінова реакція (відома в клінічній медицині як шкірний тест РРО). Реакція розвивається після внутрішньошкірної ін'єкції очищеного білкового деривату (РРО - ргоїеіп ригі/іесі йегігтіе, або туберкуліну) - антигену мікобактерій туберкульозу. У попередньо сенсибілізованої особи в місці ін'єкції через 8-12 год з'являються почервонін ня та ущільнення. Ці зміни сягають максимуму через 24-72 год і потім повільно згасають. Морфологічно ГСТ характеризується скупченням мононуклеарних клітин, переважно С 04+ Т-лімфоцитів і макрофагів, навколо венул з утворенням периваскулярних «ман жет» (рис. 5.17). Пролонгована ГСТ на стійкі мікроорганізми або інші подразники може призвести до виникнення специфічного, так званого гранульоматозного запален ня. Первинний С 04+ Т-клітинний периваскулярний інфільтрат протягом 2-3 тиж. поступово заміщується макрофагами, які зазвичай демонструють морфологіч Р е а кц ія гіп ерчутл ивості сповіл ьненого т и п у у ш кір і: А - периваскулярне накопичення мононуклеарних клітин (лім фоцитів і макрофагів), з якими пов'язані набряк шкіри й утворення фібрину. Б - імунопероксидазна реакція демонструє переважно пери васкулярний клітинний інфільтрат, що дає позитивну реакцію з антиС04-антитілами. (Люб'язно надано Ог. І. Ріскег, йерагітепі о [ РаїЬоІо^у, Рис. 5 .1 7 . Оге§оп НеаІіЬ 5сіепсе$ ііпіуегвііу, РоПІапсІ, Оге§оп.) Реакції гіперчутливості: імуно-опосередковане ушкодження тканин Антигенопрезентувальна клітина Антиген СР4+ Тпі-клітина Гігантська клітина Фактор некрозу пухлин Епітеліоїдна клітина Фібробласт Лімфоцит Макрофаг Рис. 5 .1 8 . Г р а н у л ь о м а т о з н е з а п а л е н н я : А - у ділянці лімфа тичного вузла виявлено кілька гранульом, кожна з яких складається із сукупності епітеліоїдних клітин, оточених лімфоцитами. У центрі гранульоми наявні кілька багатоядерних гігантських клітин. Б - події, які призводять до появи гранульом при реакціях гіперчутливості IV типу, ілюструють роль цитокінів ТН1. При деяких гранульоматозних захворюваннях (наприклад, при шистосомозі) ТН2 також зумовлюють виникнення ушкоджень. Роль ТИ17 у формуванні гранульом не дове дено. (А - подяка 0 г. Т. УУогге//, йераПт епІ о[РаіЬоІсі£у, І/п/Уега'Гу о(Теха$ 5оиіН\ме$Іегп Месіісаі 5сНооІ, йаііаз, Теха$.) має важливе діагностичне значення, оскільки вони утворюються за певних умов (глава 3). Контактний дерматит є загальним прикладом ушко дження тканин унаслідок реакцій ГСТ. Везикулярний дерматит може розвиватися після контакту з урушіолом - антигенним компонентом отруйного плюща. Вважають, що в ході цих реакцій хімічний агент із навко лишнього середовища структурно змінює власні білки. Пептиди, утворені із модифікованих білків, розпізна ються Т-клітинами і спричинюють імунну реакцію. Так само спрацьовує механізм при численних реакціях на лікарські препарати. Зазначені реакції гіперчутливості є найпоширенішими в людини. Певні препарати (часто хімічно активні) змінюють власні білки, у тому числі молекули МНС, і новоутворені антигени розпізнаються Т-клітинами як чужорідні, що призводить до продуку вання цитокінів та розвитку запалення. Реакції на лікар ські засоби часто проявляються висипом на шкірі. СИ4+ Т-клітинно-опосередковане запалення слугує основою ушкодження тканин при багатьох органоспецифічних та системних аутоімунних захворюваннях, таких як ревматоїдний артрит і розсіяний склероз, а також при деяких захворюваннях, спричинених неконтрольованими реакціями на бактерії-коменсали (наприклад, при запальних захворюваннях кишок; див. табл. 5.6). С08+ Т-кліт инно-опосередкована цит от оксичніст ь У цих Т-клітинно-опосередкованих реакціях С 08+ Т-лімфоцити знищують клітини-мішені, що експре сують антиген. Деструкція тканин цитотоксичними Т-лімфоцитами може бути важливим компонентом дея ких Т-клітинно-опосередкованих захворювань, таких як цукровий діабет 1-го типу. Цитотоксичні Т-лімфоцити, спрямовані проти антигену гістосумісності на клітинній оболонці, відіграють важливу роль у реакціях відторг нення трансплантата, а також у реакції проти вірусів. В інфікованій клітині вірусні пептиди презентуються разом із молекулами МНС І класу, і цей комплекс роз пізнають ТСК СГ)8+ Т-лімфоцитів. Кілінг інфікованих клітин сприяє елімінації інфекційних агентів, але в деяких випадках це може призвести до ушкодження прилеглих клітин (наприклад, при вірусних гепатитах). С08+ Т-лімфоцити також продукують цитокіни, зокре ма ІРГчІ-у, і беруть участь у запальних реакціях, що нага дують ГСТ, особливо після вірусних інфекцій та впливу деяких контактних сенсибілізувальних агентів. ^ РЕЗЮМЕ МЕХАНІЗМИ РЕАКЦІЙ ГІПЕРЧУТЛИВОСТІ, ОПОСЕРЕДКОВАНИХ Т-ЛІМФОЦИТАМИ • Цитокін-опосередковане запалення: С Р 4 + Т-лімфоцити ак тин. Скупчення епітеліоїдних клітин, що оточені валом лімфоцитів, називають гранульомою (рис. 5.18, А). Процес по суті є хронічною формою ТЬІ-клітинноопосередкованого запалення та активації макрофа гів (див. рис. 5.18, Б). «Старі» гранульоми формують щільний обідок із фібробластів і сполучної тканини. У деяких ситуаціях, таких як інфікування гельмінтами (наприклад, шистосомами), у запальній реакції також беруть участь ТЬ2, у результаті чого у вогнищах ура ження переважають еозинофіли. Виявлення гранульом тивуються під дією білкових антигенів і диференціюються в ефекторні ТН1 та ТН17. Наслідком дії антигену є секреція цитокінів. ІРІЧ-у активує макрофаги для продукування речо вин, які спр ичиню ю ть уш кодж ення тканин і розвиток ф ібро зу. И-17 та інш і ц итокіни мобілізують лейкоцити, тим самим зумовлюючи розвиток запалення. ■ Класична Т-клітинно-опосередкована запальна реакція - це реакція гіперчутливості сповільненого типу. Х р о н іч н і ТН1клітинні реакції пов’язані з активацією макрофагів і часто п р и зводять до утворення гранульом. 150 ГЛАВА 5 Захворювання імунної системи • Т-клітинно-опосередкована цитотоксичність: С 08+ цитоток сичні Т-лімфоцити, специфічні для певного антиген/, розпіз нають і здійснюють кілінг клітин, що експресують такі анти гени. С08+ Т-лімфоцити також секретують ІРІ\|-у. Тепер, коли ми знаємо, як імунна система може спричинювати ушкодження тканин, розглянемо хво роби, при яких нормальні механізми контролю не спрацьовують. Прототипом таких захворювань є аутоімунні розлади як наслідок порушення толерантності до власних антигенів. АУТОІМУННІ ЗАХВОРЮВАННЯ Аутоімунні захворювання зумовлені імунними реак ціями проти власних антигенів. За різними оцінками, на аутоімунні захворювання страждає щонайменше 1-2 % населення США. Докази того, що ці захворю вання дійсно є наслідком аутоімунних реакцій, більш переконливі в одних випадках і трохи менше - в інших. Наприклад, при більшості таких порушень виявлено високоафінні аутоантитіла, а в деяких випадках вони спричинюють патологічні аномалії. Також існують численні докази активації патогенних аутореактивних Т-клітин при деяких із цих захворювань. Окрім того, експериментальні моделі виявилися дуже інформатив ними для підтвердження аутоімунної етіології. Тим не менше, справедливо сказати, що при багатьох пору шеннях, традиційно класифікованих як аутоімунні, така етіологія вірогідна, але не доведена. Таблиця 5.7. Аутоімунні захворювання Органоспецифічні Системні Аутоімунні захворювання можуть бути органоспецифічними, при яких імунні реакції спрямовані проти одного конкретного органа або типу клітин, і систем ними, коли реакції можуть призводити до ураження багатьох органів (табл. 5.7). При системних захворю ваннях, спричинених імунними комплексами й аутоантитілами, ушкодження переважно спостерігається в сполучній тканині та кровоносних судинах залучених органів. Тому ці захворювання часто називають колаге новими судинними захворюваннями, або захворюваннями сполучної тканини, навіть якщо імунні реакції не спря мовані проти компонентів сполучної тканини чи кро воносних судин. Як правило, імунна система організму людини не реагує на власні антигени (є толерантною), тому ауто імунні реакції - це результат порушення аутотолерантності. Розуміння патогенезу аутоімунних захворювань потребує ознайомлення з механізмами нормальної імунної толерантності. Імунна толерантність Імунна толерантність - стан нечутливості до анти гену, реакція на який індукується специфічними до цього антигену лімфоцитами. Аутотолерантність означає відсутність імунної чутливості до власних тканинних антигенів, у Т- і В-лімфоцитах, які дозрі вають, випадковим чином утворюються мільйони різних антигенних рецепторів, і не дивно, що під час цього процесу з'являються рецептори, здатні розпізна вати аутоантигени. Оскільки такі антигени не можуть уникнути контролю імунної системи, мають існувати шляхи елімінації або контролю за лімфоцитами, які їх розпізнають. Аутореактивність пригнічується кількома злагодженими механізмами, які запобігають розвитку імунних реакцій проти аутоантигенів. Виділяють два основні види імунної толерантності - центральну і периферичну (рис. 5.19). А н т и т іло-оп осередковані зах вор ю ван н я Аутоімунна гемолітична анемія Системний червоний вовчак Аутоімунна тромбоцитопенія Аутоімунний атрофічний гастрит із розвитком перніціозної анемії Міастенія Хвороба Грейвса Синдром Гудпасчера Т -кліт и н но-оп осередкован і за х во р ю в ан н я ' Цукровий діабет 1-го типу Ревматоїдний артрит Розсіяний склероз Системний склероз (склеродермія)2 Синдром Шегрена2 Захворю вання, щ о п ост ульован о в в а ж а ю т ь аутоімунними Запальні захворювання кишок (хвороба Крона, виразковий коліт)3 Первинний біліарний цироз2 Вузликовий поліартеріїт2 Аутоімунний (хронічний активний)гепатит Запальні міопатії2 1 Виявлена роль Т-клітин при цих розладах, але у процес ушкодження тканин також можуть залучатися антитіла. 2 Припускається аутоімунна основа цих розладів, проте докази не є переконливими. 3 Ці розлади є результатом надмірної імунної реакції на мікробні коменсали ки шок, аутоімунних реакцій або комбінацією цих двох процесів. Ц ент ральна т олерант ніст ь Основним механізмом центральної толерантності є антиген-індукована делеція (видалення) аутореак тивних Т- та В-лімфоцитів під час їх дозрівання в цен тральних лімфоїдних органах (тобто в тимусі - для Т-клітин і в кістковому мозку - для В-клітин). У тимусі більшість аутологічних білкових антигенів обробляють ся та презентуються АПК. Будь-яка незріла Т-клітина, яка зустрічається з таким антигеном, зазнає апоптозу (цей процес також називають делецією, або негативною селекцією). Отже, популяція Т-лімфоцитів, що завершу ють своє дозрівання, втрачає клітини, які розпізнають власні антигени. Великим досягненням стала іденти фікація білка АІКЕ (аутоімунний регулятор), який сти мулює експресію аутоантигенів деяких периферичних тканин у тимусі, унаслідок чого відіграє важливу роль у делеції незрілих Т-клітин, специфічних до цих ауто антигенів. Мутації в гені АІКЕ є причиною аутоімун ної поліендокринопатії (глава 20). Однак не всі незрілі Т-клітини, що розпізнають аутоантигени в тимусі, зазна ють делеції. Деякі С 04+ Т-лімфоцити, що виживають, перетворюються на регуляторні Т-клітини (див. далі). Незрілі В-лімфоцити, які ідентифікують аутоантигени з високою афінністю в кістковому мозку, також можуть зазнавати апоптозу. Інші аутореактивні В-клітини, не Аутоімунні захворювання Т-лімфоцити В-лімфоцити і£ АПК-презентувальний У антиген х Делеція Відновлення рецептора Ти мус Кістковий мозок )| г .. Анергія (відповіді немає) Делеція АПК презентує власний антиген Рис. 5 .1 9 . М е х а н ізм ім у н н о ї то л е р а н тн о с ті д о власних а н т и ге н ів . Продемонстровано основні механізми центральної та периферичної толерантності Т- і В-лімфоцитів. А П К - антигенопрезентувальна клітина знищені в такий спосіб, проходять другий етап перегру пування генів рецепторів антигену й експресують нові рецептори, які вже не є аутореактивними (такий процес називають редагуванням рецепторів). Однак центральна толерантність недосконала. Не всі аутоантигени локалі зуються в тимусі або ісісгковому мозку, тому лімфоцити, що несуть рецептори для таких аутоантигенів, виходять на периферію. Аутореактивні лімфоцити, що уникли негативної селекції, можуть призвести до ушкодження тканин, якщо вони не будуть еліміновані або інактивовані в периферичних тканинах. П е риф ерична т олерант ніст ь Існує кілька механізмів, які пригнічують потенційно аутореактивні Т- і В-лімфоцити в периферичних тка нинах; найкраще вони вивчені стосовно Т-клітин. До таких механізмів належать: • Анергія. Цей термін означає функціональну інак тивацію лімфоцитів (а не їх загибель), яка індуку ється при зустрічі з антигеном за певних умов. Як було описано раніше, активація Т-клітин потребує двох сигналів: розпізнавання пептидного антиге ну в поєднанні з молекулами МНС на АПК та серії костимулювальних сигналів (наприклад, через протеїни В7), експресованих АПК. Якщо костимулювальні сигнали не проходять, або якщо задіяний інгібіторний рецептор на Т-клітинах (а не костимулювальний рецептор) у той момент, коли клітина зустрічається з антигеном, тоді Т-клітина стає анергічною і не може реагувати на антиген. Оскільки експресія костимулювальних молекул є низькою або взагалі відсутня на тих АПК, що презентують аутоан тигени, то зустріч аутореактивних Т-клітин з аутоантигенами в тканинах може призвести до анергії. Вважають, якщо зрілі В-клітини зустрічаються з аутоантигеном у периферичних тканинах, особ ливо за відсутності конкретних Т-хелперів, то такі В-лімфоцити не здатні реагувати на антиген. • Супресія регулят орними Т-клітинами. Популя ція Т-лімфоцитів, які називають регуляторними Т-клітинами, функціонує для запобігання розвитку імунних реакцій проти аутоантигенів. Регуляторні Т-клітини утворюються переважно в тимусі, але також можуть бути індуковані в периферичних лімфо'щних органах. Серед них найбільше визна чені регуляторні СИ4+ Т-лімфоцити, які експресу ють високий рівень С 025, а-ланцюг рецептора ІЬ-2, а також фактор транскрипції сімейства РогкЬеасі (що нагадує двозубу виделку), так звані РОХРЗ. ІЬ-2 разом із РОХРЗ необхідні для утворення та функціональної підтримки С 04+ регуляторних Т-клітин. Мутації в гені РОХРЗ призводять до роз витку тяжких аутоімунних реакцій у людини, а в експериментальних умовах - у мишей. У людини ці мутації є причиною системної аутоімунної хво роби, так званого ІРЕХ-синдрому (абревіатура імун ної дисрегуляції, поліендокринопатії, ентеропатії, Х-зчепленої). Механізми, за допомогою яких регуляторні Т-клітини пригнічують імунні реакції, не до кінця зрозумілі, але їх інгібіторна дія може бути частко во опосередкована секрецією імуносупресорних цитокінів, таких як ІЬ-10 та ТСР-р, які пригнічують активацію лімфоцитів та їх ефекторні функції. Регуляторні Т-клітини також експресують СТЬА-4, що можуть зв'язуватися із протеїнами В7 на АПК, у результаті чого знижується здатність останніх акти вувати Т-лімфоцити за допомогою С028. 151 ГЛАВА 5 Захворювання імунної системи • Д елеція вн аслідок апопт озу. Т-клітини, які розпіз нають аутоантигени, можуть отримувати сигнали, що сприяють їх загибелі шляхом апоптозу. На основі результатів досліджень, проведених на мишах, було розкрито два механізми елімінації зрілих Т-клітин. Припускають, якщо Т-клітини ідентифікують ауто антигени, то вони активують проапоптичний білок сімейства ВСЬ-2 під назвою ВІМ, який ініціює апоптоз за допомогою реалізації мітохондріального шля ху (глава 2). Інший механізм апоптозу забезпечує Разрецептор (представник сімейства рецепторів ТИР), який може бути зв'язаний його лігандом, що коекспресусться тими самими або сусідніми клітинами. Про важливість цього шляху аутотолерантності свід чить те, що мутації Раз є причиною розвитку аутоімунної хвороби під назвою аутоімунний лімфопроліферативний синдром (АЬР5), який характеризується лімфаденопатією та продукуванням аутоантитіл. • Деякі аутоантигени уникають імунного контролю і секвеструються, тому що тканини, в яких вони локалізуються, не контактують із кров'ю чи лімфою. Оскільки ці антигени не потрапляють у кровотік, то не можуть спричинити імунні реакції і, по суті, ігно руються імунною системою. Вважають, що це стосу ється антигенів, які локалізуються тільки в яєчках, органі зору й мозку; їх називають тканинами з імун ним захистом, тому що антигени, розміщені в цих органах і тканинах, зазвичай захищені від впливу імунної системи. Якщо зазначені антигени вивіль няються (наприклад, унаслідок травми або інфек ції), результатом може бути імунна відповідь, яка призводить до тривалого запалення та ушкодження тканин. Це класичний механізм посттравматичного орхіту й увеїту. такий алель, називають коефіцієнтом шансів, або від носним ризиком (табл. 5.8). Відносний ризик варіює від 3 до 4 для ревматоїдного артриту із [ ІГА-ГЖ4, до 100 або більше - для анкілозного спондиліту з НЬА-В27. Однак до кінця незрозуміло, як саме гени МНС впливають на розвиток аутоімунітету. Слід зазначити, що більшість осіб, які мають алель МНС, пов'язаний із такою схильністю, ніколи не хворіють і, навпаки, людина без відповідного гена МНС може захворіти. Отже, експресія певного гена МНС є лише одним із чинників, що призводить до аутоімунітету. Результати дослідження геномних асоціацій (С\УА5) та вивчення сімейних зв'язків дали змогу виявити багато генетичних поліморфізмів, які асо ціюються із різними аутоімунними захворювання ми (табл. 5.9). Деякі із цих генетичних варіацій є специфічними для певної хвороби, але багато асоці ацій спостерігаються при множинних розладах, що свідчить про їх вплив на загальні механізми імунної регуляції та аутотолерантності. Проте механізми, за допомогою яких більшість цих генетичних варіацій визначають схильність до розвитку специфічних аутоімунних захворювань, не встановлено. Генетична схильність Зовнішні чинники Інфекції, запалення, ушкодження тканини Гени сприйнятливості Тканина Механізми аутоімунітету: загальні принципи Тепер, коли ми узагальнили основні механізми ауто толерантності, потрібно з'ясувати, як порушення цих механізмів може спричинити патологічну аутоімунну реакцію. На жаль, немає простих відповідей на таке запитання, й основні причини більшості аутоімун них захворювань у людини ще належить визначити. Найкраща гіпотеза полягає в тому, що порушення аутотолерантності та розвиток аутоімунних реакцій зумовлені комбінованими ефектами генів сприйнят ливості, які впливають на толерантність до лімфоци тів, і чинників навколишнього середовища, таких як інфекції або травми тканин, що змінюють презента цію власних антигенів та відповіді на них (рис. 5.20). Роль генет ичних чинників п ри аут оім ун іт ет і Більшість аутоімунних захворювань є складними мультигенними розладами. Існують численні докази того, що успадковані гени відіграють певну роль у роз витку аутоімунних захворювань. • Аутоімунні захворювання мають тенденцію до сімейних проявів, існує більша вірогідність виник нення однакових захворювань у монозиготних близнят, ніж у дизиготних. • Кілька аутоімунних захворювань пов'язані з локусом НЬА, особливо з алелями МНС II класу (НЬА-ОК, НЬА-БО). Частоту захворювання в осіб із певним алелем НЬА порівняно з тими, хто не успадковує Порушення аутотолерантності Активація АПК тканини Вплив на ткани ни аутореактив них лімфоцитів Аутореактивні лімфоцити Активація аутореактивних лімфоцитів У ш кодж ен ня тканини: аутоім унне захворю вання Рис. 5 .2 0 . П а т о ге н е з а у то ім у н н и х станів. Аутоімунні стани є результатом численних факторів, включаючи гени сприйнятливості, які можуть знижувати толерантність до власних антигенів під дією чин ників навколишнього середовища (таких як інфекція, травма та запа лення), що зумовлює надходження лімфоцитів у тканини, активацію аутореактивних лімфоцитів й ушкодження тканин Аутоімунні захворювання Таблиця 5.8. Асоціація алелей НІ_А із запальними захворюваннями Захворювання Ревматоїдний артрит (анти-ССР АЬ-позитивні)2 Цукровий діабет 1-го типу Алелі Н І.А Коефіцієнт шансів1 ОКВ1, 1 5Е алель3 4 ОКВ1, 2 5Е алелі 12 ОКВ110301-ОС2А110501 ООВ 110201 гаплотип 4 ОКВ1 ’0401-0<2А1 '0301 0(2В110302 гаплотип 8 ОКВ110301/0401 гапло тип гетерозигот 35 3 Розсіяний склероз РЯВ111501 Системний червоний вовчак 0&В1Ю301 2 РКВ111501 1,3 Анкілозний спондиліт В127 (переважно В12705 та В12702) Целіакія ОС2А14)501ООВ110201 гаплотип 100-200 7 1 Коефіцієнт шансів (відносний ризик) відображає приблизні значення підвищено го ризику розвитку захворювання, пов’язаного з успадкуванням певних алелей НІ_А. Представлені дані отримані в європейських популяціях. 2 Анти-ССР АЬ - антитіла, спрямовані проти циклічних цитрульованих пептидів. Дані отримані від пацієнтів, у яких тест на наявність цих антитіл у плазмі був позитивним. 3 5£ - спільний епітоп, названий так через те, що є спільною ділянкою для різних алелів білка ОКВ1 (позиції 70-74). Білок ОКВ1 є продуктом Р-ланцюга молекули НІ_А-йК. Інформація надана Ог. М. Регпапсіо, ІтрегіаІ СоІІе§е /.опс/оп. Роль інф екцій, уш ко д ж е н н я т ка н и н т а чинників навколиш нього середовищ а Різні мікроорганізми, включаючи бактерії, мікоплазми та віруси, ідентифіковані як провокувальні чинники розви тку аутоімунних хвороб. Мікроорганізми можуть індуку вати аутоімунні реакції кількома шляхами (рис. 5.21): • Мікробні інфекції, що спричинюють некроз тканин і запалення, можуть активувати експресію костиму лювальних молекул на АПК у тканинах, тим самим зумовлюючи втрату Т-клітинної толерантності з наступною активацією Т-лімфоцитів. • Віруси та інші мікроорганізми можуть мати спільні з аутоантигенами перехресно-реагуючі епітопи, у результаті чого можливе поширення реакцій, індуко ваних мікроорганізмами, на власні тканини; це яви ще називають молекулярною мімікрією. Найкращим прикладом такої патогенної перехресної імунної реакції є ревматична хвороба серця, при якій анти тіла проти стрептококів реагують із таргетними кардіальними антигенами. Невідомо, чи має значення молекулярна мімікрія при інших поширених ауто імунних захворюваннях. Останнім часом значно підвищився інтерес до гіпоте зи про те, що в розвитку аутоімунітету бере участь нор мальна мікрофлора кишок і шкіри (різноманітний набір мікроорганізмів-коменсалів, які живуть у симбіозі). Цілком можливо, що такі мікроорганізми впливають на співвідношення ефекторних та регуляторних Т-клітин і формують реакцію організму в напрямку аберантної активації. Проте залишається незрозумілим, які саме мікроорганізми сприяють розвитку специфічних захво рювань у людини і чи можливо впливати на мікрофло ру з метою профілактики або лікування таких розладів. Результати останніх спостережень ускладнюють розуміння зв'язку між мікроорганізмами та аутоімунітетом. Припускають, що інфекції, хоч це звучить пара доксально, захищають людину від деяких аутоімунних захворювань, зокрема цукрового діабету 1-го типу, розсіяного сюхерозу та хвороби Крона. Ймовірні меха нізми, що лежать в основі такого ефекту, незрозумілі. Окрім інфекцій, презентація тканинних антигенів також може змінюватися під впливом різних екологіч них чинників. Як зазначено нижче, УФ-випромінювання спричинює загибель клітин і може призвести до демас кування ядерних антигенів, які зумовлюють патоло гічні імунні реакції при СЧВ. Такий механізм запро- Таблиця 5.9. Деякі варіанти не-ША-генів, асоційованих із аутоімунними захворюваннями Ген Захворювання Гіпотетична ф ункція кодованого білка та роль м утації / поліморфізму в патогенезі захворювання Гени, щ о берут ь участ ь в імунній регуляції РТРИ22 РА, ЦД1, ЗЗК Білок тирозинфосфатаза; може впливати на сигналізацію лімфоцитів і змінювати негативну селекцію або активацію аутоімунних Т-клітин Ч23Я ЗЗК, Пс, АС Рецептор до цитокіну ІІ_-23, який продукується ТН17; може впливати на диференціацію С04+ Т-лімфоцитів до патогенних ТН17-ефекторних клітин СТІА4 ЦД1, РА Пригнічує Т-клітинну відповідь шляхом припинення активації та сприяння активності регуляторних Т-клітин; може втручатися в процеси аутотолерантності И2КА РС, ЦД1 а-Ланцюг рецептора до ІЬ-2, що є фактором росту та виживання для регуляторних Т-клітин; може впливати на утворення ефекторних клітин та/або регуляцію імунної відповіді І Гени, щ о берут ь участ ь у реалізац ії імунної відповіді щ о до мікроорганізм ів N 002 ЗЗК Цитоплазматичний сенсор бактерій, що експресується в клітинах Пенета та інших епітеліальних клітинах кишок; може контролювати резистентність до кишкових бактерій-коменсалів АТО 6 ЗЗК Бере участь у процесах аутофагії; можлива роль у захисті проти мікробів та підтриманні бар’єрної функції епітелію іт, інні счв Роль у продукуванні інтерферону І типу, який бере участь у патогенезі СЧВ (див. текст) АС-анкілозний спондиліт; ЗЗК -запальні захворювання кишок; Пс - псоріаз; РА- ревматоїдний артрит; РС- розсіяний склероз; СЧВ - системний червоний вовчак; ЦД1 - цук ровий діабет 1-го типу. Імовірний зв’язок зазначених генів із різними аутоімунними захворюваннями було визначено у ході так званих досліджень загальногеномних асоціацій (С\Л/А$) і за допомогою інших методів дослідження поліморфізму генів, асоційованих із хворобами. Адаптовано за /.А Хепеу/ісг, С. АЬгаЬат, Р.А. ГІауеІІ еі аі. ІІпгауеІіп§ ґИе §епейс$ о[аиіоіттипіґу, СеІІ 140:791, 2010. 154 ГЛАВА 5 Захворювання імунної системи А ІНДУКЦІЯ КОСТИМУЛЯТОРІВ НА АПК / , . С \ М ікроорганізм ^ - Активація АПК АПК експресує костимулювальні Аутореактивна а молекули Т-клітина ^ ' Власна тканина Власний антиген АПК презентує власний антиген Б Аутоімунітет МОЛЕКУЛЯРНА МІМІКРІЯ М ікроорганізм Активація Т-клітин Антиген Аутореактивні Т-клітини, які також мікророзпізнають мікробні пептиди організму Власна тканина АПК презентує мікробний пептид, що нагадує власний антиген М ікроорганізм Аутоімунітет Продукування перехреснореактивних антитіл ■*> Власна тканина В-клітина Аутоімунітет Рис. 5 .2 1 . Роль ін ф е кц ій п ри а у то ім у н н и х с та н а х . Інфекції можуть зумовлювати активацію аутореактивних лімфоцитів шляхом експресії костимуляторів (А) або мікробні антигени можуть імітувати аутоантигени й активувати аутореактивні лімфоцити в перехресних реакціях (Б). А П К - антигенопрезентувальна клітина понований як пояснення асоціації СЧВ із надмірною інсоляцією. Тютюнокуріння є фактором ризику для РА, можливо, тому, що зумовлює хімічну модифікацію аутоантигенів. Локальне ушкодження тканин із будьякої причини може призвести до утворення аутоанти генів та розвитку аутоімунних реакцій. Окрім того, існує виражена гендерна схильність до аутоімунних реакцій, адже більшість цих захворювань частіше трапляється у жінок, ніж у чоловіків. Основні механізми такого феномену є незрозумілими, але мож на стверджувати наявність впливу гормональних та інших чинників. Аутоімунна відповідь сама по собі може сприяти подальшій аутоімунній атаці. Ушкодження тканин, зумовлене аутоімунними реакціями або будь-яким іншим чинником, може призвести до експресії антиген них епітопів, які раніше були приховані, але тепер пре зентуються Т-клітинам в імуногенній формі. Активацію таких аутореактивних Т-клітин називають поширенням епітопів, оскільки в імунну відповідь залучаються епітопи, які до цього не були ідентифіковані. Це один із механізмів хронізації аутоімунних захворювань. Обговоривши загальні принципи імунної толе рантності та аутоімунітету, ми переходимо до харак теристики деяких найбільш поширених і важливих аутоімунних захворювань. Хоча кожне захворювання розглядають окремо, в їх патогенезі та клініко-морфологічних проявах спостерігається багато схожих ознак. У цій главі ми обговоримо системні аутоімунні захво рювання. Аутоімунні захворювання окремих органів розглянуто у відповідних главах. І РЕЗЮМЕ ІМУННА ТОЛЕРАНТНІСТЬ ТА АУТОІМУНІТЕТ • Толерантність (несприйнятливість) стосовно аутоантигенів є фундаментальною властивістю імунної системи, а порушення толерантності лежить в основі розвитку аутоімунних захво рювань. * Центральна толерантність: незрілі Т- і В-лімфоцити, які розпізнають аутоантигени в центральних (генеративних) лімфоїдних органах, елімінуються шляхом апоптозу; час тина аутореактивних В-лімфоцитів переключається на екс пресію нових антигенних рецепторів, які не реагують з аутоантигенами. • Периферична толерантність: зрілі лімфоцити, які роз пізнають аутоантигени в периферичних лімфоїдних тка нинах, пригнічуються регуляторними Т-лімфоцитами і стають функціонально неактивними (анергічними) або зазнають апоптозу. • Чинники, що призводять до порушення аутотолерантності й розвитку аутоімунних реакцій, включають: 1)успадкування генів сприйнятливості, які порушують різні механізми толерантності; 2) інфекційні агенти й ушкодження тканин, при яких утво рюються аутоантигени, а в тканинах активуються АПК та лімфоцити. Аутоімунні захворювання Системний червоний вовчак Системний червоний вовчак - аутоімунне захворю вання, яке уражує низку органів у зв'язку з утворен ням численних аутоантитіл, зокрема антинуклеарних антитіл, що супроводжується ушкодженням різноманітних клітин і тканин переважно внаслідок депонування імунних комплексів та зв'язування антитіл. Найбільшого ураження зазнають шкіра, суглоби, нирки та серозні оболонки, але фактично може ушкоджуватися будь-який орган. Симптоматика СЧВ настільки різноманітна, що з метою допомоги клініцистам й оцінювання результатів медичних дослі джень був запропонований комплекс діагностичних критеріїв (табл. 5.10). Проте це захворювання дуже гете рогенне, і кожен пацієнт може мати будь-яку кількість таких проявів. СЧВ трапляється доволі часто, захворю ваність може сягати 400 випадків на 100 тис. населення в окремих популяціях. Хоча СЧВ найчастіше маніфестує у віці 20-30 років, початок захворювання можливий у будь-якому віці, навіть у ранньому дитинстві. Подібно багатьом аутоімунним захворюванням, СЧВ найчас тіше уражує жінок (співвідношення жінок і чолові ків - 9:1) репродуктивного віку (від 17 до 55 років). Для порівняння: співвідношення жінок і чоловіків у разі початку захворювання у дитинстві або після 65 років становить лише 2:1. Захворюваність серед темношкіро го і латиноамериканського населення у 2-3 рази вища, ніж серед пацієнтів зі світлою шкірою. Спектр аутоантитіл при системному червоному вовчаку Особливістю СЧВ є продукування аутоантитіл. Деякі антитіла розпізнають ядерні й цитоплазматичні ком поненти, інші спрямовані проти поверхневих анти генів клітин крові. Окрім значущості для діагностики і лікування СЧВ ці аутоантитіла відіграють дуже важ ливу патогенетичну роль - наприклад, при розвитку імунокомплексного гломерулонефриту - типового прояву СЧВ. Аутоантитіла також виявляють при інших аутоімунних хворобах, багато з яких асоціюються зі специфічними типами аутоантитіл (табл. 5.11). Антинуклеарні антитіла Антинуклеарні антитіла (АNА) можна поділити на чотири категорії: (1) антитіла до ДНК; (2) антитіла до гістонів; (3) антитіла до негістонових білків, зв'язаних із РНК; (4) антитіла до ядерних антигенів. Для детекції АИА найчастіше використовують метод непрямої імунофлюоресценції, що може виявляти антитіла, зв'язані із різноманітними ядерними антигенами, серед яких Таблиця 5.10. Переглянуті критерії класифікації системного червоного вовчака * Критерій Визначення Клінічні к р и т е р ії Гострий вовчак шкіри Еритематозний висип у вигляді метелика (фіксована еритема, що підвищується або не підвищується над поверхнею шкіри, локалізована на щоках та крилах носа); фоточутливість Хронічний вовчак шкіри Дискоїдний висип: еритематозні плями, вкриті щільними лусочками, із фолікулярним гіперкератозом Алопєція без рубцювання Дифузне стоншення або ламкість волосся за відсутності інших причин Виразки рота й носа Виразкування у ротовій порожнині або в носоглотці, зазвичай безболісне Ураження суглобів Неерозивний синовіїт, що уражує два або більше периферичні суглоби, характеризується підвищеною чутливістю, на бряком або випотом Серозит Плеврит (плевральний біль, або шум тертя плеври, або плевральний випіт), перикардит Порушення функції нирок Персистентна протеїнурія (> 0,5 г на добу), наявність еритроцитів Неврологічні розлади Судоми, психоз, мієліт або нейропатія за відсутності вживання провокувальних лікарських засобів чи інших відомих причин Гемолітична анемія Гемолітична анемія Лейкопенія або лімфопенія Лейкопенія < 40 • 109/л (4000 клітин/мм3) за результатами двох чи більше досліджень, або лімфопенія < 1,5 • 109/л (1500 клітин/мм3) за результатами двох чи більше досліджень Тромбоцитопенія Тромбоцитопенія < 100 • 109/л (100 • 103 клітин/мм3) за відсутності інших умов 1 І Імунологічні к р и т е р ії Антиядерні антитіла (АМА) Аномальний титр антиядерних антитіл у разі застосування методу імунофлюоресценції Антититіла до дволанцюгової ДНК Аномальний титр А нти-$т антитіла Наявність антитіл до 5 т ядерних антигенів Антифосфоліпідні антитіла Позитивний тест на наявність антифосфоліпідних антитіл на основі (?) аномального рівня І§С чи І§М антикардіоліпінових антитіл; (2 ) позитивний тест на вовчаковий антикоагулянт за стандартним тестом; (3) псевдопозитивний серологіч ний тест на сифіліс, який є позитивним протягом щонайменше 6 міс. і підтверджений негативним тестом іммобілізації Тгеропета раІМит або тестом абсорбції антитіл до трепонем Білки системи комплементу Низькі рівні СЗ, С4 або СН50 Пряма проба Кумбса Наявність антиеритроцитарних антитіл за відсутності клінічно вираженої гемолітичної анемії * Ця класифікація спочатку була запропонована Американською асоціацією ревматологів у 1997 р. з метою виявлення пацієнтів під час клінічних досліджень. Оновлена у 2012 р. (Бузіетіс І_ири$ Іпіегпаїіопаї СоІІаЬогаІіп§ СІіпісз). Діагноз СЧВ вважають підтвердженим, якщо у будь-який час (не обов’язково одночасно) у пацієнта наявні чотири клінічні й імунологічні критерії, включаючи щонайменше один клінічний та один імунологічний критерій. Деякі деталі було вилучено з таблиці. Модифіковано за М . Реґгі, А.М. ОгЬаі, С.5. АІагсдп е і а і: Оег/УоГ/оп апсі уаІИаііоп о(іЬ е Зузіетіс іи риз ІпіегпаііопаІ СоІІаЬогаііп§ СІіпісз сіазз'фсаііоп сгііегіа (ог зузіетіс Іириз егуіЬетаіозиз, А г іИ г іііб КЬеит 64:2677, 2012. ГЛАВА 5 Захворювання імунної системи Таблиця 5.11. Аутоантитіла при системних аутоімунних захворюваннях Захворювання Специфічні аутоантитіла СЧВ Антитіла до дволанцюгової ДНК (анти-сІБОІЧА) 40-60 Ш -К И Р 30-40 5 т й і (5т) антиген (ядерний білок малих КІЧР) 20-30 Специфічні для СЧВ Ко (55-А) нуклеопротеїд 30-50 Природжена блокада серця; неонатальний вовчак Комплекс фосфоліпід-протеїн (анти-РЦ 30-40 Антифосфоліпідний синдром (у приблизно 10 % пацієнтів із СЧВ) Системний склероз Синдром Шегрена Аутоімунний міозит Позитивний тест, % Асоційовані захворювання Кілька ядерних антигенів («генеричні АМА») 95-100 Виявляється при інших аутоімунних захворюваннях, неспецифічний ДНК-топоізомераза 1 30-70 Дифузні захворювання шкіри, захворювання легень; специфічні для системного склерозу Центромерні протеїни (СЕИР) А, В, С 20-40 Локалізовані захворювання шкіри, дигітальна ішемія, легенева гіпертензія РНК полімераза III 15-20 Гострий початок, ниркова недостатність при склеро дермії, онкологічні захворювання Ко/55-А 75 Більш чутливі І.а/55-В 50 Більш специфічні Гістидил аміноацил-тРНК синтетаза, )о1 25 Інтерстиційне захворювання легень, феномен Рейно Мі-2 (ядерний протеїн) МОА5 (цитоплазматичний рецептор до РНК вірусу) Ревматоїдний артрит Нефрит; специфічні для СЧВ 5-10 20-35 (японці) Дерматоміозит, шкірний висип Ураження судин шкіри, інтерстиційне захворювання легень ТІР1 у (ядерний протеїн) 15-20 Дерматоміозит, онкологічні захворювання ССР (циклічні цитрульовані білки); різні цитрульовані білки 60-80 Спеціфічні для ревматоїдного артриту Ревматоїдний фактор 60-70 Неспецифічний «Генеричні» антиядерні антитіла, які можуть реагувати із багатьма ядерними антигенами, наявні у більшості пацієнтів із СЧВ, але їх також виявляють при інших аутоімунних захворюваннях. Відсоток означає приблизну частку пацієнтів, у яких тест на кожне антитіло позитивний. Таблиця складена за допомогою 0 г А. Козеп, \. Норкіпз та О г. А. Сгозз, ІІпіуегзіґу о ( Саф гпіа 5ап Ргапсізсо. ДНК, РНК та білки (збірна назва - справжні АГч'А). Патерн ядерної флюоресценції визначає імовірний тип антитіл, наявний у сироватці пацієнта. Виділяють кілька основних патернів (рис. 5.22): • Гомогенний, або дифузний, патерн - забарвлення зазвичай відображає наявність антитіл до хромати ну, гістонів й, іноді, до дволанцюгової ДНК. • Периферичний патерн найчастіше свідчить про антитіла до дволанцюгової ДНК й, іноді, до білків оболонки ядра. • Центромерний патерн характерний для антитіл, спе цифічних до центромер. Цей патерн часто спостері гається у пацієнтів із системною склеродермією. • Плямистий патерн означає наявність однакових або різних за розміром плям забарвлення. Це один із патернів імунофлюоресценцїї, який трапляється найчастіше, а отже, є найменш специфічним. Він свідчить про наявність антитіл до структур ядра, не пов'язаних із ДНК, таких як антиген 5 т , рибонуклеопротещ, реактивні антигени 55-А та 55-В. • Ядерншї, або нуклеарний, патерн має вигляд кількох окремих точок флюоресценції в ядрі й свідчить про наявність антитіл до РНК. Цей патерн най частіше спостерігають у пацієнтів із системною склеродермією. Патерни імунофлюоресценції не є абсолютно спе цифічними для різних типів антитіл і через те, що можлива наявність кількох видів антитіл. Тому під час діагностики часто визначають змішані патерни. Нині тривають спроби заміни мікроскопічного дослідження кількісним аналізом антитіл до специфічних ядерних та інших антигенів. Насправді, антитіла до дволанцюгової ДНК й анти-5ш антитіла з'являються у переважної біль шості пацієнтів і фактично є діагностичним критерієм СЧВ. Проте патерн забарвлення й досі використовують. Інші аутоантитіла Окрім АКА при СЧВ виявляють велику кількість інших аутоантитіл. Деякі з них специфічні до клітин крові, таких як еритроцити, тромбоцити й лімфоцити. Антифосфоліпідні антитіла наявні у 30-40 % пацієнтів із СЧВ. Насправді вони спрямовані на епітопи різноманіт них білків плазми, що вивільняються, коли білки утво рюють комплекси із фосфоліпідами. Антитіла до ком плексу фосфоліпід-р^-глікопротеїд також зв'язуються із кардіоліпіновим антигеном, який використовують для серологічної діагностики сифілісу, тому при СЧВ мож ливі псевдопозитивні результати реакції Вассерманна. Через те що ці антитіла зв'язуються із фосфоліпідами, вони можуть подовжувати частковий тромбопластиновий час, час згортання крові іп і’ііго, для якого потрібні фосфоліпіди; тому їх іноді називають вовчаковим анти коагулянтом. Незважаючи на подовження часу згор тання іп іпіго, у пацієнтів з антифосфоліпідними анти тілами виникають ускладнення, пов'язані з надмірним згортанням крові (гіперкоагуляційний стан), зокрема тромбози (глава 4). Аутоімунні захворювання Рис. 5 .2 2 . П а т е р н и за б а р в л е н н я а н т и я д е р н и х а н т и т іл : А - гомогенне, або дифузне, забарвлення ядер є типовим для антитіл, які реагують із дволанцюговою Д Н К, нуклеосомами та гістонами, і часто трапляється при СЧВ. Б - плямистий патерн спостерігається за наявності антитіл проти різних ядерних антигенів, включаючи 5 т і В.МР. В - центромерний патерн виявляють при деяких випадках системного склерозу, синдромі Шегрена та інших захворюваннях. Г - ядерний патерн є типовим для антитіл проти РНК. (Взято з А.5. Щ ік, М . Ноіег-Масівеп, ]. РогзіісІ еі аі.: Апііписіеаг апІіЬосІіев: а сопіетрогагу потепсіаіиге изіп§ НЕр-2 сеііз, \ А и іо іт т 35:276, 2010.) Патогенез дефектом при СЧВ є недостатність меха нізмів, що підтримують аутотолерантність. Хоча причина порушення аутотолерантності досі невідома, як і для більшості аутоімунних захворювань, важливу роль відіграють як генетичні чинники, так і чинники навколишнього середовища. О сн овн и м Генетичні чинники Численні дослідження свідчать про наявність генетич ної схильност і до СЧВ. • Сімейна схильність. Члени однієї сім'ї мають підвище ний ризик розвитку СЧВ і близько 20 % клінічно здо рових родичів першого ступеня спорідненості мають аутоантитіла. Рівень конкордантності у монозиготних близнят (25 %) вищий, ніж у дизиготних (1-3 %). • Зв'язок з НЬА. Відносний ризик для осіб з НЬАРК2 або НЬА-ОКЗ становить 2-3; якщо наявні оби два гаплотипи, ризик підвищується до 5. • Інші гени. Генетичні дефекти білків класичного шля ху активації системи комплементу, особливо Сії], С2 або С4, спостерігаються приблизно у 10 % паці єнтів із СЧВ. Недостатність системи комплементу може призводити до порушення кліренсу імунних комплексів та апоптичних клітин, а також втрати толерантності В-лімфоцитів. У деяких пацієнтів описаний поліморфізм інгібіторного Рс-рецептора, РсуКПЬ; це може бути одним із механізмів неадек ватного контролю активації В-лімфоцитів. Зв'язок з іншими генами виявлено також під час загальногеномних досліджень, але їх роль у розвитку хвороби залишається невідомою. Чинники навколишнього середовища Існує багато доказів того, що чинники навколишнього середовища також впливають на патогенез СЧВ. • Надмірна інсоляція загострює перебіг захворювання у багатьох пацієнтів, уф-промені можуть індукувати апоптоз, змінювати структуру ДНК та зумовлюва ти її імуногенність, можливо, шляхом стимуляції розпізнавання ТЬК. До того ж, уф-промені можуть модулювати імунну відповідь, наприклад, стиму- 157 ГЛАВА 5 Захворювання імунної системи люючи синтез кератиноцитами ІЬ-1 - цитокіну, що є медіатором запалення. • Статева схильність до СЧВ частково зумовлена дією статевих гормонів, а частково - наявністю генів на Х-хромосомі, не залежних від рівня гормонів. • Лікарські препарати, такі як гідралазин, прокаїнамід і О-пеніциламін, можуть спричиняти СЧВ-подібні ураження. нуклеїнових кислот активують ТЬК і стимулюють посилене продукування антитіл В-лімфоцитами. Стимули ТЬК також активують синтез інтерферонів та інших цитокінів у дендритних клітинах, що знач но посилює імунну відповідь й апоптоз. Кінцевий результат - послідовне вивільнення антигенів й імунна активація, що призводить до продукування високоафінних аутоантитіл. Імунологічні чинники Механізми ушкодження тканин Нещодавно проведені експериментальні й клінічні дослідження виявили кілька імунних аберацій, які в комплексі можуть призводити до постійної неконтрольованої активації аутореактивних лімфоцитів. • Втрату аутотолерантності В-лімфоцитів спричинює порушення елімінації аутореактивних В-лімфоцитів у кістковому мозку або порушення периферичних механізмів толерантності. • С04+ Т-лімфоцити, специфічні до нуклеосомних антигенів, також уникають механізмів толерантно сті й відіграють певну роль у продукуванні високоафінних патогенних аутоантитіл. Аутоантитіла при СЧВ мають характеристики Т-залежних антитіл, що продукуються у гермінативних центрах, і тому кількість фолікулярних Т-хелперів у периферичній крові збільшується. • Інтерферони І типу. Клітини крові мають молеку лярні маркери, які свідчать про контакт з ІРІЧ-а інтерфероном І типу, що продукується плазмоцитоїдними дендритними клітинами. Результати деяких досліджень свідчать, що при СЧВ ці клітини продукують надмірну кількість ІРІМ-а. • ТЬК-сигнали. Під час досліджень на тваринах виявлено, що ТЬК, які розпізнають ДНК та РНК, а саме ДНК-розпізнавальні ТЬК9 й РНК-розпізнавальні ТЬК7, генерують сигнали, які активують В-лімфоцити, специфічні до власних ядерних антигенів. • Серед інших цитокінів, які можуть відігравати роль у нерегульованій активації В-лімфоцитів, - пред ставник сімейства ТИР - ВАРР, який сприяє вижи ванню В-лімфоцитів. Однак тільки в деяких пацієн тів спостерігається посилене продукування ВАРР, і це зумовлює незначну ефективність терапії СЧВ за допомогою антитіл, які блокують ВАРР. Різноманітні аутоантитіла є причиною більшості ура жень при СЧВ. • Більшість системних уражень спричинені імун ними комплексами (гіперчутливість III типу). Комплекси ДНК-анти-ДНК можна виявити у нир кових клубочках і дрібних кровоносних судинах. Низький рівень компонентів системи комплементу в плазмі (унаслідок споживання білків цієї систе ми) та гранулярні депозити компонентів системи Модель патогенезу системного червоного вовчака Із цієї дискусії зрозуміло, що імунні розлади при СЧВ - як доведені, так і гіпотетичні - різноманітні й складні. Тим не менше, можна спробувати узагаль нити результати досліджень на людях і тваринах, щоб створити гіпотетичну модель патогенезу СЧВ (рис. 5.23). уФ-випромінювання та інші чинники навколишнього середовища призводять до апоптозу клітин. Неадекватний кліренс ядер цих клітин зумов лює накопичення ядерних антигенів. Порушення, що виникають у В- і Т-лімфоцитах, лежать в осно ві дефектів толерантності, через які аутореактивні лімфоцити виживають і функціонують. Такі лім фоцити стимулюються ядерними аутоантигенами, й у відповідь на ці антигени продукуються анти тіла. Комплекси антиген-антитіло зв'язуються із Рс-рецепторами на В-лімфоцитах та дендритних клітинах і можуть інтерналізуватися. Компоненти ГЕНИ СПРИЙНЯТЛИВОСТІ ЗОВНІШНІ ЧИННИКИ (у тому числі УФ-промені) 0 е Апоптоз Дефектний кліренс апоптичних тілець V „ •• ®в (Як®вв в В- і Т-лімфоцити, специфічні для власних ядерних антигенів Збільшена кількість ядерних антигенів 1 Антинуклеарні антитіла, комплекс Ендоцитоз ком плексів антигенантитіло та захоплення ТІ_К ядерних антигенів В-лімфо- Стимуляція ТІ_К В-лімфоцитами і ден дритними клітинами Стимуляція В- і Т-лімфоцитів інтерфероном Інтерферони І типу Постійний рівень антиядернихІдС Рис. 5.2 3. С х е м а п а т о ге н е з у с и с те м н о го ч е р в о н о го вовчака. У цій гіпотетичній моделі гени, відповідальні за схильність до хвороби, перешкоджають підтриманню аутотолерантності, а зовнішні чинники призводять до персистенції ядерних антигенів. Результатом є реакція антитіл проти власних антигенів, яка посилюється дією нуклеїнових кислот на дендритні клітини і В-лімфоцити, а також продукуванням інтерферонів І типу. ТІК - ТоІІ-подібні рецептори Аутоімунні захворювання комплементу й імуноглобулінів у ниркових клубоч випадку його називають первинним синдромом анти ках є підтвердженням імунокомплексної етіології фосфоліпідних антитіл (глава 4). захворювання. Т-клітинні інфільтрати також часто • Антитіла, які проникають через гематоенцефаспостерігаються в нирках, але роль Т-лімфоцитів в лічний бар'єр і реагують із нейронами або рецеп ушкодженні тканин не встановлена. торами різноманітних нейромедіаторів, спри • Аутоантитіла із різною специфічністю відігра чинюють нейропсихічні прояви. Проте цей факт ють роль у патогенезі та клінічних проявах СЧВ встановлено не в усіх випадках. Очевидно, існують (гіперчутливість II типу). Аутоантитіла, специ механізми із залученням інших імунних чинників, фічні до еритроцитів, лейкоцитів і тромбоцитів, зокрема цитокінів, які можуть призводити до когопсонізують ці клітини й активують їх фагоцитоз, нітивної дисфункції та інших синдромів ураження що призводить до цитопенії. Немає доказів, що ЦНС, що спостерігаються при СЧВ. АИА, задіяні у формуванні імунних комплексів, можуть проникати в інтактні клітини. Проте при ■ ^ М О Р Ф О Л О Г ІЯ безпосередньому контакті з ядрами АИА можуть із ними зв'язуватись. Ядра ушкоджених клітин Морфологічні зміни при СЧВ надзвичайно варіабельні. Часто реагують з АИА, унаслідок чого хроматин стає ту ураження кожного органа наведено в табл. 5.12. Найхарак гомогенним, утворюючи так звані ЬЕ-тільця, терніші ураження спричинені відкладенням імунних комплек сів у кровоносних судинах, нирках, сполучній тканині та шкірі. або гематоксилінові тільця. Із цим феноменом Кровоносні судини. Гострий некротичний васкуліт з пов'язані ЕЕ-клітини, які можна виявити в крові ураженням капілярів, дрібних артерій та артеріол може про іп у і і г о . ЬЕ-клітина - це фагоцит (нейтрофіл або являтися у будь-якій тканині. Артеріїт супроводжується фібримакрофаг), який поглинув денатуроване ядро ноїдним некрозом судинної стінки. У хронічній стадії розви ушкодженої клітини. Виявлення ЕЕ-клітин іп і’іГго вається фіброз судинної стінки, що призводить до звуження раніше використовували для діагностики СЧВ. просвіту судин. Проте з появою нових методик ідентифікації АИА Н и р ки . До 50 % пацієнтів із СЧВ мають клінічно значуще цей тест нині має лише історичне значення. Іноді ураження нирок; також майже завжди є ознаки патології, які ЕЕ-клітини виявляють у перикардіальному або виявляють за допомогою методу імунофлюоресценції та елек плевральному випоті. тронної мікроскопії. Ураження нирок має кілька форм, але всі • Вплив антифосфоліпідних антитіл. У пацієнтів з вони зумовлені відкладенням імунних комплексів у клубочках. антифосфоліпідними антитілами може розвивати Згідно із прийнятою на сьогодні класифікацією, розрізняють ся тромбоз вен та артерій, що призводить, напри 6 форм ураження ниркових клубочків. Варто зазначити, що клад, до повторних мимовільних викиднів, фокаль ці класи мають спільні ознаки, тому ураження нирок згодом ної церебральної ішемії або ішемії очного яблука. може переходити з однієї форми в іншу. Отже, точне співвід Сукупність клінічних ознак при СЧВ називають ношення пацієнтів із кожною формою ураження визначити вторинним синдромом антифосфоліпідних антитіл. складно. Достатньо буде сказати, що клас І реєструють найМеханізми тромбозу не визначені; припускають, рідше, а IV - найчастіше. що їх ініціюють антитіла до факторів згортання, • М ін ім а л ь н и й в о в ча ко в и й н е ф р и т (клас І) трапляється тромбоцитів та ендотеліальних клітин (глава 4). у дуже рідко, характеризується відкладенням імунних ком деяких пацієнтів такі ант ит іла і подібний клінічний плексів у мезангії; їх можна виявити за допомогою методу синдром виникають без асоціації із СЧВ; у цьому імунофлюоресценції та електронної мікроскопії, але під час світлової мікроскопії структурних змін немає. Таблиця 5.12. Клінічні прояви системного червоного вовчака Клінічні прояви Гематологічні прояви Артрит, артралгія або міалгія Ураження шкіри 100 80-90 85 55-85 Втомлюваність 80-100 60 Порушення функції нирок 50-70 Нейропсихічні прояви 25-35 Плеврит 45 Перикардит 25 Гастроінтестинальні прояви 20 Феномен Рейно 15-40 Ураження очей 5-15 Периферична нейропатія 15 * Відсотки є приблизними і можуть відрізнятися залежно від віку, етнічної належ ності та інших чинників. Таблиця складена за допомогою Ог. / МеепакзНі, КизН МесІісаІ Сепґег, СЬіса§о. М е з а н г іа л ь н и й п р о л іф е р а т и в н и й в о в чако в и й не ф р и т (клас II) супроводжується проліферацією мезангі- Поширеність, % * Гарячка Зменшення маси тіла • • альних клітин (мезангіоцитів), часто зумовлює збільшення мезангіального матриксу й утворення гранулярних мезангіальних депозитів імуноглобулінів і білків системи компле менту без залучення капілярів ниркових клубочків. Ф о к а л ь н и й в о в ч а ко в и й н е ф р и т (клас III) характеризу ється залученням у патологічний процес менше ніж 50 % усіх ниркових клубочків. Ураження може бути сегментар ним (уражена лише частина клубочка) або тотальним (ура жений увесь клубочок). В ураженому нирковому клубочку можливі набряк і проліферація ендотеліальних та мезангіальних клітин, зумовлені скупченням лейкоцитів, некрозом капілярів й утворенням гіалінових тромбів. Часто виникає екстракапілярна проліферація, що супроводжується фо кальним некрозом та формуванням «півмісяців» (рис. 5.24, А). Клінічні прояви варіюють від мікрогематурії та мікропротеїнурії до гострої ниркової недостатності. Еритроцитарні циліндри в сечі часто виявляють в активній фазі захворювання. У деяких пацієнтів розвивається дифузний гломерулонефрит. Активні (чи проліферативні) запальні вогнища можуть повністю зникати або прогресувати до хронічного тотального чи сегментарного склерозу нирко вих клубочків. ГЛАВА 5 Захворювання імунної системи • Д и ф у з н и й в о в ч а к о в и й н е ф р и т (клас IV) - найбільш п о ш и стовщення стінок капілярів, формуючи структури, які при світ рена й тяжка форма вовчакового нефриту. Вогнищ а ідентичні ловій мікроскопії мають вигляд дротяних петель (рис. 5.24, 8 ). таким при класі III, але відрізняються ступенем поширеності; Імунні комплекси можна виявити при електронній мікроскопії при дифузному вовчаковому нефриті уражується половина (рис. 5.24, Г) та методом імунофлюоресценції (рис. 5.24, Д). або більша кількість ниркових клубочків. В уражених клубочках Структурні зміни можуть прогресувати до склерозу ниркових відбувається проліферація ендотеліальних, мезангіальних та клубочків. П ри дифузному гломерулонефриті клінічні прояви епітеліальних клітин (рис. 5.24, Б), причому останні утворюють зазвичай виражені - із гемат- і протеїнурією. Часто розвива «півмісяці», які заповнюють простори капсули Боумена. Суб- ються артеріальна гіпертензія та ниркова недостатність, яка ендотеліальні імунні комплекси можуть зумовлювати кільцеве варіює від легкого до тяж кого ступеня. Рис. 5 .2 4 . В о в ч а к о в и й н е ф р и т : А - фокальний проліферативний гломерулонефрит із двома вогнищами некрозу на 11 і 14 год (фарбування гематоксиліном і еозином). Екстракапілярна проліферація не є визначальною у цьому випадку. Б - дифузний проліферативний гломерулонефрит. Зверніть увагу на помітне збільшення кількості клітин в усьому клубочку (фарбування гематоксиліном і еозином). Б - вовчаковий нефрит, світлова мікроскопія: клубочки з кількома вогнищами ураження («дротяні петлі»), що представляють собою суцільні субендотеліальні відкладення імунних комплексів (фарбування РАБ). Г - електронна мікроскопія: капілярна петля ниркового клубочка при СЧВ. Субендотеліальні щільні відкладення (гострий кінець стрілки) на базальній мембрані (стрілка) відповідають «дротяним петлям», що спостерігаються під час світлової мікроскопії. А - депонування І§С у гранулярній формі, виявлене методом імунофлюоресценції. (А та В - подяка Ог. Н. Реппке, йерагітепі о[РаіЬоІо§у, Вгі§Нат апсі \А/отеп'з НозріїаІ, Возіоп, МаззасЬизеПз. Г - подяка Ог. £. Еі§епЬгоЛ, йерапт епі о[РаїНоІоду, Юпіуегзііу о(Техаз, 5оиіНше$Іегп МедісаІ 5сЬооІ, йаііаз, Техаз. А ~ подяка 0 г. ]. ОІзоп, йерагітепі о ( РаїЬоіо^у ііпіуегзііу о [ Саіі(огпіа, 5ап Ргапсізсо, СаІІ(огпіа.) Аутоімунні захворювання • • М е м б р а н о з н и й в ов чако ви й н е ф р и т (клас V ) характе К л а п ан н и й е н д о ка р д и т (так званий ендокардит Л ібм а н а- ризується дифузним ущ ільненням с тін о к капілярів унаслідок Сакса) реєстрували частіше до початку ш и р о ко го застосування субепітеліального відкладення ім ун них комплексів, як при глю кокортикоїдів. Ц ей асептичний ендокардит має вигляд о д и ідіопатичній м ембранозній неф ропатії (глава 14). Наявність н и чн и х або м н о ж и н н и х бородавчастих розростань розміром ім унних комплексів зазвичай зумовлює посилене п р о д уку 1 -3 мм, щ о можуть формуватися на будь-якій поверхні сер вання субстанції, п о д іб н о ї до базальної мембрани, щ о п р и цевого клапана і/або й о го стулок (рис. 5.26). Д ля порівняння: зводить до утворення «пром іж ків» і «ш ипів» при фарбуван вегетації при інф екційном у ендокардиті більші, а при ревматич ні солями срібла. Таке ураження зазвичай супроводж ується ному ураженні серця (глава 1 1 ) - менші й обмеж ені замикаль тя ж ко ю протеїнурією чи неф ротичним синдром ом і може ними поверхнями стулок клапана. виникати од но ча сно із фокальним або диф узним вовчаковим нефритом. серця (ІХС), щ о проявляється стенокардією та інфарктом міо П ро гр е с и в н и й с кл еро зи вн ий в о в чако ви й Значна кількість пацієнтів страждає від іш е м іч н о ї хвороби неф рит карда. Ц е ускладнення може спостерігатись у молодих пацієн (клас VI) характеризується склерозом понад 90 % н и р ко в и х клубочків і є кінцевою стадією ураження ни ро к. тів із тривалим перебігом захворювання і переважає в осіб, які Зміни в ін т е р с т и ц ії т а н и р к о в и х к а н а л ь ц я х виникаю ть факторним. Ф а кто ри ризику атеросклерозу, у тому числі арте вживали гл ю кокортикоїди. П атогенез приш видш еного ко р о нарного атеросклерозу не з’ясований, але, ймовірно, є багато- часто, але тубул оінтерстиц ійна патологія рідко домінує. О к р е ріальна гіпертензія, о ж ир іння і гіперліпідемія, більше пош ирені мі імунні комплекси, подібні д о та ки х у н и р ко в и х клубочках, у пацієнтів із СЧВ, ніж у загальній популяції. На додачу, імунні наявні у базальній мембрані канальців або пе р итубул ярн их капілярів у багатьох пацієнтів із вовчаковим нефритом. Іноді комплекси й антифосфоліпідні антитіла уш код ж ую ть ендотелій і провокую ть розвиток атеросклерозу. спостерігаю ться сформовані В-клітинні фолікули в інтерстиції, С е л е з ін к а . Спленомегалія, стовщ ення капсули та фоліку асоційовані із плазмоцитами, які м ож уть бути джерелом п р о лярна гіперплазія - ознаки, щ о трапляються часто. У централь дукування аутоантитіл. них ки ти ч ко ви х артеріях можлива конц ен тр ична гіперплазія Ш к ір а . Х а р а кте р на еритема ураж ує обл иччя вздовж с п и н ки носа та щ ік (висип у вигляді м ет е л и ка ) у близько інтими і гладких м’язових клітин із формуванням ш а р у в а т и х («луш пиння цибулі») у р а ж е н ь . 50 % пацієнтів, але п о д іб н и й висип м о ж е сп о сте р іга тися на кін ц івка х і тулубі. Т акож ви ника ю ть кро п ив'я нка , були, макул опапульозний висип та виразки. П ід час гіс то л о гіч н о го д о слідження ураж ені д ілянки характеризую ться вакуолярною д егенерац ією базального шару епідерм ісу (рис. 5.25, А). У дермі спостерігаю ться набряк і периваскулярне запалення. М ож л ивий р о зв и то к ви р а ж е н о го васкуліту із ф ібриноїдним не кр о зо м с у д инн ої стін ки . За д о п о м о го ю методу ім уноф лю ор есценції виявляють відкладення імуноглобулінів та білків системи ко м пл ем енту в ділянці епідерм ально-дерм ального з’єднання (рис. 5.25, Б); такі д е п о зи ти м ож уть утворю ватися і в неураж еній ш кірі. Ц і зн ахід ки не є сп е циф ічн им и кр и те р ія ми СЧВ, оскільки п о д іб н і зм іни іно д і виявляють при скл е р о дерм ії та д ерм атом іозиті. С у гл о б и . У раж ення суглобів при С ЧВ зазвичай хара кте р и зується неерозивним синовіїтом із мінімальною деформацією, щ о р ізко відрізняється від ураження ц и х стр уктур при ревма тоїдном у артриті. Ц е н т р а л ь н а н е р в о в а с и с т е м а . Х о ч а раніш е вважали, щ о н е й р о п с и х іч н і п р о яви С ЧВ м о ж уть бути наслідком го ст р о го васкуліту, під час гіс то л о гіч н о го д о слідж ення нервової системи та ки х пацієнтів ви ра ж е ний васкуліт виявляють рід ко. Замість ц ь о го іноді спостерігається незапальне звуження / п р о світу д р іб н и х судин унаслідок проліф ерації інтим и, щ о за: м ож е бути результатом у ш ко д ж е н н я ендотелію а уто а нтитілами або ім унним и комплексами. ■, л -» , •• / П е р и к а р д и т т а ін ш і у р а ж е н н я с е р о з н и х о б о л о н о к . Запалення с е р о з н и х о б о л о н о к м о ж е б ути го стр и м , п ід го с тр и м або х р о н іч н и м . П ід час го с т р о ї фази м езотеліальні кл іти н и інод і с е кр е тую ть ф іб р и н о зн и й ексудат. П із ніш е вони м о ж у ть ставати щ ільним и, о п укл и м и , вкр и ти м и Б в о р с и н ч а с то ю ф іб р о зн о ю т ка н и н о ю , щ о м о ж е п р и зв о д и ти д о ч а с тко во ї або п о в н о ї о б л іте р а ц ії с е р о зн о ї п о р о ж н и н и . Рис. 5.2 5. С и с те м н и й ч е р в о н и й в о вчак з у р а ж е н н я м ш кіри: М ож лива поява плеврального чи п е р и ка р д іа л ь н о го випоту. А - у препараті, пофарбованому гематоксиліном й еозином, спостері Ураження с е р ц е в о -с у д и н н о ї с и с т е м и м ож е характери гається колікваційна дегенерація базального шару епідермісу і набряк у ділянці епідермально-дермального з'єднання. Б - імунофлюоресцентна мікроскопія: наявність І§С і накопичення їх по довжині епідермаль но-дермального з’єднання. (А - подяка Ог. \. ВІіамап, Во5іоп ііпіуегзіїу 5сіїооі о{ Месіісіпе, Вовіоп, МажасІїизеПз. Б - подяка Ог. К. Попіїеітег, Оерагітепі о(йегта№Іо£у, ііпіуегзіґу о(Тєхаз ЗоиіЬшезІегп МесІісаІ 5с/іоо/, зуватися змінами будь-якої о б о л он ки серця. К лін ічно значуще й асимптомне ураження перикарда виявляють у близько 50 % пацієнтів. М іо ка р дит трапляється рідше і м ож е супроводж ува тися тахікард ією у стані с п о ко ю та змінами ЕКГ. йаііаз, Тєхаз.) ГЛАВА 5 Захворювання імунної системи Рис. 5.26. Е н д о к а р д и т Л іб м а н а -С а к с а з у р а ж е н н я м м ітр ал ьн о го кл а п а н а п ри с и с те м н о м у ч е р в о н о м у вовчаку. Стрілками показано вегетації, прикріплені до ущільненого клапана. (Подяка Ог. Е 5сНоєп, йерапт епі о ( РаіЬоІо§у, Вгіфат апд Мотеп'$ НозріїаІ, Вовіоп, МаззасЬизеПз.) прояви (наприклад, психоз або судоми). Також на пер ший план може виходити ІХС. Часто виникають інфек ційні захворювання, переважно внаслідок дисфункції імунної системи, яка лежить в основі СЧВ, а також як результат лікування імуносупресорами. Перебіг СЧВ варіабельний і непередбачуваний. Рідкісна гостра форма може призводити до смерті про тягом тижнів або місяців. Частіше, при адекватній тера пії, СЧВ має рецидивний перебіг, що триває роками й десятиліттями. У стадії загострення утворення імунних комплексів посилюється, що призводить до активації системи комплементу, і тому у хворих часто виявляють гіпокомплементемію. Загострення зазвичай лікують п іюкокортикої,11,ам и та іншими імуносупресорами. У частини пацієнтів захворювання має млявий перебіг навіть без лікування, що триває роками, із відносно легкими проявами, такими як зміни шкіри і помірна гематурія. Загальна 5- й 10-річна виживаність становить приблизно 90 % та 80 % відповідно. Найпоширеніші причини смерті - ниркова недостатність й інтеркурентні інфекції. ІХС також може бути важливою при чиною летального наслідку, у пацієнтів, які вживають глюкокортикощи та інші імуносупресори, можливий розви ток несприятливих побічних реакцій. Як згадувалося раніше, ураження шкіри разом із мультисистемною патологією часто виникають при СЧВ. Нижче описано два синдроми, при яких шкірні прояви слугують єдиною або провідною ознакою. Х р о н іч н и й дискоїдний червоний вовчак Л е г е н і. О кр ім плевриту та плеврального випоту, щ о йо го супроводжує, деякі випадки захворювання ускладнюються хронічни м інтерстиційним фіброзом і вто р ин но ю легеневою гіпертензією. Ін ш і о р г а н и й т к а н и н и . І_Е-клітини або гематоксилінові тільця у кістковому мозку є маркерами СЧВ. Лімфатичні вузли можуть збільшуватися внаслідок гіперплазії В-лімфоцитарних фолікулів, іноді спостерігається некр о тичн ий лімфаденіт як ре зультат васкуліту. Клінічні прояви СЧВ - високоваріабельне мультисистемне захворю вання, діагностика якого Грунтується на сукупності клінічних, серологічних та морфологічних ознак (див. табл. 5.10). Початок захворювання може бути гострим або прихованим. Часто пацієнткою є молода жінка з кількома або всіма нижче перерахованими ознаками: висип у вигляді метелика на обличчі; підвищена тем пература тіла; біль в одному або кількох суглобах без деформації; плевральний біль; фотосенсибілізація. Проте у багатьох пацієнтів клінічні прояви невиражені й неоднозначні, можуть набувати різноманітних форм, таких як гарячка нез'ясованої етіології, зміни в аналізі сечі або ураження суглобів, що маскується під ревматоїдний артрит чи гостру ревматичну гарячку. Запальні АИА за допомогою методу імунофлюорес ценції виявляють майже у 100 % пацієнтів, але вони не є специфічними для СЧВ. Ураження нирок може супроводжуватися низкою симптомів, таких як гемат урія, еритроцитарна циліндрурія, протеїнурія та нефротичний синдром (глава 14). у деяких пацієнтів розвивається анемія або тромбоцитопенія, які можуть бути провідними клінічними ознаками, у частини пацієнтів можливі яскраво виражені нейропсихічні Хронічний дискоїдний червоний вовчак - захворю вання, при якому шкірні прояви можуть нагадувати СЧВ, але системні симптоми спостерігаються рідко. Характерною ознакою є бляшки, які найчастіше лока лізуються на шкірі обличчя та волосистої частини голови; ступінь вираженості набряку, еритеми, злущу вання, фолікулярних кірок та атрофії шкіри, оточеної еритемним валиком, у них різний. Захворювання прогресує до СЧВ у 5-10 % пацієнтів, зазвичай через багато років. На противагу цьому деякі пацієнти із СЧВ мають яскраво виражені дискощні ура ження шкіри. Приблизно у 35 % пацієнтів із хронічним дискоїдним червоним вовчаком результат тесту на загальні АИА позитивний, але антитіла до дволанцюгової ДНК виявляють рідко. Під час імунофлюоресцентного дослідження біоптатів шкіри візуалізуються відкладення імуноглобулінів та СЗ у дермато-епітеліальному з'єднанні, як при СЧВ. Термін «підгострий шкірний червоний вовчак» нале жить до уражень, що займають проміжне положення між СЧВ і червоним вовчаком, локалізованим тільки на шкірі. Висип при цьому захворюванні є поверхневим і має тенденцію до поширення. У більшості пацієнтів виникають невиражені системні прояви, схожі із симп томами СЧВ. Існує тісний зв'язок між антитілами до антигену 55-А і генотипом НЬЛ-ЕЖЗ. М е д и кам ент озний червоний вовчак СЧВ-подібний синдром може розвиватись у пацієнтів, які вживають певні препарати, зокрема гідралазин, прокаїнамід, ізоніазид та П-пеніциламін. На диво, анти-ТИР-терапія, ефективна при ревматоїдному артриті й інших аутоімунних захворюваннях, також може спричинити медикаментозний червоний вовчак. Аутоімунні захворювання Застосування більшості цих препаратів пов'язано з утворенням АМА, особливо антитіл до гістонів. Прояви хвороби вщухають після відміни провокувальних препаратів. о СЧВ, тому вони не є діагностично специфічними при синдромі Шегрена. На додачу, близько 75 % пацієнтів мають ревматоїдний фактор (антитіла до власних І§С), а у 50-80 % пацієнтів визначаються АИА. Патогенез РЕЗЮМЕ СИСТЕМНИИ ЧЕРВОНИИ ВОВЧАК СЧВ - системне аутоімунне захворювання, причиною якого є утворення аутоантитіл до різноманітних власних антигенів, а також формування імунних комплексів. Основні аутоантитіла, які формують циркулюючі імунні комплекси, специфічні до ядерних антигенів. Інші аутоанти тіла взаємодіють з еритроцитами, тромбоцитами та різними комплексами фосфоліпідів і білків. Прояви хвороби включають нефрит, ураження шкіри й арт рит (виникає внаслідок відкладення імунних комплексів), ге матологічні зміни (як результат дії антитіл до еритроцитів, лейкоцитів і тромбоцитів) та неврологічні симптоми (вини кають унаслідок нез’ясованих механізмів). Етіологія порушення аутотолерантності при СЧВ невідома; серед можливих причин - надмірне утворення або персистенція ядерних антигенів, генетична схильність, чинники на вколишнього середовища (наприклад, УФ-випромінювання, що спричинює апоптоз і вивільнення ядерних антигенів). Ревматоїдний артрит Ревматоїдний артрит - аутоімунне захворювання, що найчастіше уражує суглоби, але може супроводжува тися позасуглобовими проявами: шкірними, судинни ми, легеневими та кардіальними. Оскільки основним симптомом є ураження суглобів, це захворювання роз глядається у главі 21. Синдром Шегрена Синдром Шегрена - хронічне захворювання, що характеризується сухістю кон'юнктиви очного яблука (к ег а іо со и/ипсН уіііз зісса) і слизової оболон ки ротової порожнини (х его в іо т іа ) унаслідок імуно-опосередкованої деструкції сльозових та слин них залоз. Може виникати як ізольована патологія (первинна форма), також відома як сухий синдром, або, частіше - разом з іншими аутоімунними хворобами (вторинна форма). Зазвичай асоціюється із ревмато їдним артритом, проте може супроводжувати СЧВ, поліміозит, склеродермію, васкуліт, змішану хворобу сполучної тканини (синдром Шарпа), аутоімунний тиреоїдит. У сльозових та слинних залозах наявний харак терний лімфоцитарний інфільтрат, що складається переважно з активованих С 04+ Т-хелперів та В-клітин, серед яких є плазматичні клітини. Під час серологічних досліджень часто виявляють аутоантитіла. Антитіла до рибонуклеопротеїнових антигенів, 55-А (Ко) та 55-В (І.а), перерахованих у табл. 5.11, можна ідентифікувати у разі використання високочутливих технологічних методик у 90 % пацієнтів. Високі титри антитіл до 55-А пов'язані із раннім початком захворювання, три валішим перебігом, екстрагландулярними проявами, такими як шкірний васкуліт і нефрит. Такі самі аутоан титіла утворюються у невеликої кількості пацієнтів із Патогенез синдрому Шегрена залишається невідо мим, але дані патоморфологічних, серологічних дослі джень, а також асоціація, хоча й слабка, із алелями НЬА, - усе свідчить про активацію аутореактивних Т- і В-клітин. Початковим тригером може бути вірусна інфекція слинних залоз, що призводить до локальної загибелі клітин та вивільнення тканинних аутоанти генів. У генетично схильних осіб СИ4+ Т-лімфоцити і В-клітини, специфічні до цих аутоантигенів, можуть уникати механізмів толерантності та брати участь в імунних реакціях, які призводять до ушкодження тканин і, згодом, до фіброзу. Проте роль окремих цитокінів або субпопуляцій Т-клітин, а також природа аутоантигенів, на які спрямовані ці лімфоцити, зали шаються невідомими. М О Р Ф О Л О ГІЯ Сльозові й слинні залози - основні мішені при синдромі Ше грена; також можуть уражуватись інші екзокринні залози, вклю чаючи залози слизової оболонки дихальних шляхів, травного тракту та піхви. Перші гістологічні прояви у великих і малих слинних залозах - це перидуктальна й периваскулярна лімфоцитарна інфільтрація. Згодом лімфоцитарний інфільтрат стає більш поширеним (рис. 5.27), тому у великих слинних зало зах можуть візуалізуватися лімфоїдні фолікули з гермінативни ми центрами. Епітелій, що вистилає протоки, може зазнавати гіперплазії та спричиняти обструкцію протоків. Далі розви ваються атрофія ацинусів, фіброз і гіаліноз; згодом атрофічна тканина заміщується жировою. У деяких випадках лімфоїдний інфільтрат може бути настільки вираженим, що має вигляд лімфоми. Насправді, у таких пацієнтів ризик розвитку В-клітинної лімфоми слинної залози та інших екстранодальних локалізацій підвищений (глава 12). Гістологічні зміни не є специфічними для діагностики; подібна картина може спостерігатися при хронічному сіаладеніті внаслідок обструкції протоків конкре ментами. Недостатнє сльозоутворення призводить до висихання епітелію рогівки, що спричинює запалення, подразнення і виразкування рогівки; сухість й утворення кірочок у носовій по рожнині може призводити до виразкування, аж до перфорації носової перегородки. Клінічні прояви Синдром Шегрена найчастіше виникає у жінок віком 50-60 років. Як можна було очікувати, симптоматика спричинена запальною деструкцією екзокринних залоз. Кератокон'юнктивіт характеризується затуманюванням зору, відчуттям печіння, свербежу, густими виділен нями, що скупчуються у кон'юнктивальному мішку. Ксеростомія призводить до утрудненого ковтання твер дої їжі, втрати смаку, тріщин та сухості слизової оболон ки щік. Збільшення привушної слинної залози спостері гається у 50 % пацієнтів; сухість слизової оболонки носа, носова кровотеча, рецидивний бронхіт і пневмоніт також є ознаками захворювання. Екстрагландулярні прояви (синовіїт, легеневий фіброз, периферична нейропатія) 163 164 ГЛАВА 5 Захворювання імунної системи Рис. 5 .2 7 . С и н д р о м Ш е г р е н а : А - збільшення слинної залози. Б - інтенсивна лімфоцитарно-плазмоцитарна інфільтрація із гіперплазією епіте лію вивідної протоки. (А - подяка Ог. К. 5опіЬеітег, 0 ерагітепі о ( йегта№Іо§у, іІпіуегвііу о(Техаз ЗоиіЬшезґегп МедісаІ 5сНооІ, йаііаз, Техав. Б - подяка Ог. 0. Вигпв, йераПт епІ о(РаіЬо!о§у ііпіуегзіїу о(Техав ЬоиіНшезгегп МєсіісаІ 5сЬооІ, йаііаз, Техаз.) виникають в 1/3 пацієнтів. На відміну від СЧВ ураження ниркових клубочків при синдромі Шегрена трапляється рідко, тоді як порушення функції ниркових канальців разом із нирково-канальцевим ацидозом, урикозурією та фосфатурією розвиваються часто і пов'язані із тубулоінтерстиційним нефритом (глава 14). Близько 60 % пацієнтів мають інші супутні аутоімунні захворювання, наприклад ревматоїдний артрит. І0 ) РЕЗЮМЕ ким прогресуванням та раннім ураженням вну трішніх органів. • Обмежений системний склероз з ураженням шкіри відносно легкого ступеня, зазвичай пальців рук та обличчя. Ураження внутрішніх органів виникає пізніше, тому цей варіант має більш доброякісний перебіг. Його також називають СКЕЗТ-синдромом унаслідок поєднання ознак кальцинозу, синдрому Рейно, порушення моторики стравоходу, склеродактилії та телеангіектазії. Патогенез • С индром Ш егрена - запальне захворювання, при якому насамперед уражуються слинні та сльозові залози, сп р и чин ю ю ч и сухість слизової обо л он ки ротової п о р о ж н и н и і ко н ’ю нктиви о ч н о го яблука. • Вважають, що причиною захворювання є аутоімунна Т-клітинна реакція проти невідомого аутоантигену, який експресується у слинних і сльозових залозах, або імунні реакції, спрямовані проти антигенів віруса, який уражує ці залози. Системний склероз (склеродермія) Системний склероз - імунний розлад, що характе ризується надмірним фіброзом тканин, облітераційним ураженням судин й ознаками аутоімунного захворювання, переважно - продукуванням різнома нітних аутоантитіл. Хоча термін «склеродермія» поши рений у клінічній медицині, перевагу віддають термі ну «системний склероз», оскільки надмірне утворення сполучної тканини спостерігається у багатьох органах. Ураження шкіри - це те, що видно неозброєним оком і, врешті-решт, спостерігається у 95 % випадків, але саме ураження внутрішніх органів - травного тракту, легень, нирок, серця та скелетних м'язів - визначає перебіг захворювання і є причиною смерті. Захворювання, при якому ураження обмежене шкірою, називають локалізо ваною склеродермією. Системний склероз за перебігом класифікують на дві групи: • Дифузний системний склероз, що характеризується початковим дифузним ураженням шкіри зі швид Причина системного склерозу невідома, але швидше за все, в основі захворювання лежать три взаємопов'язані процеси - аутоімунна відповідь, ураження судин і надлишкове утворення колагену (рис. 5.28). • Аут оімунна реакція. Вважають, що С04+ Т-лімфоцити, які відповідають на досі не ідентифікований антиген, акумулюються у шкірі, вивільняють цитокі ни й активують запальні клітини і фібробласти. Хоча запальні інфільтрати в уражених ділянках шкіри трапляються рідко, вони включають активовані С04+ Пт2-клітини. Певні цитокіни, зокрема ІІ. -З, продукова ний ТЬ2-ютітинами, і ТСР-р, який синтезують макро фаги та інші клітини, стимулюють синтез фібро бластами колагену і білків позаклітинного матриксу (наприклад, фібронектину). Інші цитокіни мобілізу ють лейкоцити та зумовлюють хронічне запалення. Наявність різноманітних антитіл, зокрема АNА, має діагностичне і прогностичне значення. Існує думка, що ці антитіла стимулюють утворення фіброзної тка нини, але докази такої гіпотези непереконливі. • Ураження судин. Ураження мікроциркуляторного русла виникає на ранній стадії системного склерозу. Спостерігаються ознаки активації та ушкодження ендотеліальних клітин, а також підвищеної агрегації тромбоцитів. Однак причина ушкодження судин невідома; це може бути ініціювальним чинником або результатом хронічного запалення із виділенням медіаторів запалення, які ушкоджують ендотелій мікроциркуляторного русла. Повторні цикли ушко дження ендотелію із подальшою агрегацією тромбо цитів призводять до вивільнення тромбоцитарних Аутоімунні захворювання зо вн іш н ій чинник ГЕНЕТИЧНА СХИЛЬНІСТЬ І Ушкодження ендотелію І ЗОВНІШНІЙ ЧИННИК \ Активація Т- і В-лімфоцитів ------------------- _ Проліферативна та облітераційна васкулопатія Продукування цітокінів, що зумовлюють фіброз т Аутоантитіла Ішемія, відновлення І______ ▼ Легенева гіпертензія і Синтез білків позаклітинного матриксу; фіброз шкіри та паренхіматозних органів Рис. 5 .2 8 . С х е м а п а т о ге н е з у с и с т е м н о г о с к л е р о з у . Невідомі зовнішні чинники призводять до ангіопатії та активації імунної системи у генетично схильних осіб; ці два чинники зумовлюють розвиток надмірного фіброзу та ендотеліальних факторів (таких як РОСР, ТСР-р), які індукують проліферацію ендотелію, фіброз інти ми та периваскулярний склероз. Згодом дифузне звуження мікроциркуляторного русла спричинює ішемію уражених ділянок та рубцювання. Часто уражуються судини легень, унаслідок чого тяжким ускладненням хвороби є легенева гіпертензія. • Ф іброз. Прогресивний фіброз, характерний для цього захворювання, може бути кульмінацією різно манітних патологічних процесів, серед яких - аку муляція альтернативно активованих макрофагів, дія фіброгенних цитокінів та рубцювання внаслідок ішемії, спричиненої ураженням судин. Результати дослідження культивованих фібробластів виявили патологію, що призводить до продукування цими клітинами надмірної кількості колагену. Т р а в н и й т р а к т уражується приблизно у 90 % пацієнтів. П рогресивна атрофія та заміщення м’язової о бол онки ф іброз н о ю тка н и н о ю м ожуть розвиватися у будь-якому відділі травно го тракту, але найтяжчі зміни спостерігаю ть у стравоході. Н иж ні 2/3 стравоходу часто стають нееластичними, схож им и на гу мовий шланг. Зумовлена цим дисфункція ни ж нь о го сфінктера стравоходу призводить до гастроезофагального рефлюксу та й о го ускладнень, у том у числі метаплазм Барретта (глава 15) й утворення стриктур. Слизова оболонка стонш ується і може вкриватися виразками; спостерігається надмірне утворення колагену у власній пластинці й підслизовому прошарку. Втра та во рсинок та м ікро во рси но к то н ко ї киш ки - анатомічний субстрат синдром у мальабсорбції, який іноді виникає у таких хворих. О п о р н о -р у х о в и й а п а р а т . Запалення синовіальних о б о л о н о к суглобів, щ о супроводж ується гіпертроф ією син овіо цитів, часто з’являється в ранній стадії захворювання; пізніш е приєднується фіброз. Ц і зміни нагадують такі при ревмато М О РФ О ЛОГІЯ П ри системному склерозі найбільше виражені структурні змі ни спостерігаються у шкірі, травному тракті, о п о рн о -р ухо во м у апараті й нирках; та ко ж часто уражуються кровоносні судини, серце, легені та периферичні нерви. Ш к ір а . У більшості пацієнтів розвиваються дифузний фіброз й атрофія шкіри; остання зазвичай виникає в ділянці пальців і дистальних частин верхніх кінцівок і пош ирюється проксималь но, залучаючи плечі, плечовий пояс, ш ию й обличчя. Спостері гаються набряк та периваскулярні інфільтрати, щ о містять С 0 4 + Т-клітини, а також набряк і дегенерація колагенових волокон, які стають еозинофільними. У капілярах та дрібних артеріях (діа метром 150-500 мкм) можливі стовщення базальної мембрани, ушкодження ендотелію і часткова оклюзія. Із прогресуванням за хворювання посилюється фіброз дерми; вона міцно фіксована до підш кірних структур. Ф іб р оз часто супроводжується стонш ен ням епідермісу, втратою сітчастої структури, атрофією придатків шкіри та стовщенням стінок артеріол і капілярів дерми внаслідок гіалінозу (рис. 5.29, Б). М ожуть виникати підшкірні кальцифікати, особливо при СКЕ5Т-синдромі. У пізній стадії пальці набувають конусоподібного (звужуються до кінцевої фаланги) кігтеподібного вигляду, рухливість у суглобах обмежена; лице стає мас коподібним. Недостатнє кровопостачання може призводити до виразкування шкіри й атрофії (рис. 5.29, В) або навіть до самоампутації дистальних фаланг. їдном у артриті, але для систе м н о го склерозу не характерна деструкція суглобів. У незначної частки пацієнтів (приблизно 10 % ) мож е розвиватися міозит, який дуже складно відрізнити від поліміозиту. Н и р к и . П атологія н и р о к виникає у 2/3 пацієнтів. Найбільш значущ ими є ураження судин. У м іж ча сто чко вих артеріях спостерігається стовщ ення інтим и як наслідок відкладення м уц и н о зн и х субстанцій, щ о містять глікопротеїди та кислі мукополісахариди, а та ко ж ко н ц е н тр и ч н о ї проліф ерації клі ти н інтим и. Зміни нагадують такі при злоякісній гіпертензії, але при систем ном у склерозі вони обм еж ую ться судинами діаметром 1 5 0 -5 0 0 мкм і не завжди супроводж ую ться арте ріальною гіпертензією . П роте гіпертензія все-таки виникає у 30 % пацієнтів, а у 20 % набуває стр ім ко го пе р еб ігу (злоякісна гіпертензія). П ри артеріальній гіпертензії судинні зміни більше виражені й часто супроводж ую ться ф ібриноїдним некрозом артеріол, щ о мож е призводити до тр о м бо зів та інфарктів. Такі пацієнти зазвичай пом ираю ть від н и р ко в о ї недостатності, яка в стр уктур і бе зпо се р ед ніх пр ичин см ертності від цьо го захво рювання становить близько 50 %. С п е ц иф іч н их змін н и рков их клубочків немає. Л е г е н і. У більше ніж 50 % випадків уражуються легені. За хворювання може проявлятися у вигляді легеневої гіпертензії та інтер сти ційно го фіброзу; останній неможливо відрізнити від та ко го при ідіопатичному легеневому фіброзі (глава 13). ГЛАВА 5 Захворювання імунної системи Рис. 5 .2 9 . С и с т е м н и й с к л е р о з : А - нормальна шкіра. 6 - біоптат шкіри пацієнта із системним склерозом. Зверніть увагу на дифузне утво рення щільного колагену в дермі, атрофію придатків шкіри (наприклад, волосяних фолікулів) і наявність вогнища запалення (показано стрілкою). В - поширений підшкірний фіброз майже знерухомив пальці, спричинивши кігтеподібну деформацію. Недостатнє кровопостачання призвело до виразкування шкіри. (В - подяка 0 г. К. ЗопіНеітег, ОераПтепг о[Оегтаїоіо^у, ііпіуегвіїу о(Теха$ 5оиіН\уе5Іегп МесІісаІ 5сЬооІ, 0 аііав, Техаь.) Серце. Випітний перикардит, міокардіальний фіброз та стовщ ення стінок інтраміокардіальних артеріол виникають в 1/3 пацієнтів. Як наслідок змін у легенях часто розвиваються гіпертрофія правого шлуночка і серцева недостатність («леге неве серце»). Клінічні прояви Серед хворих на системний склероз співвідношення жінок і чоловіків становить 3:1, із піком захворюваності у віковій групі 50-60 років. Хоча системний склероз має спільні ознаки із СЧВ, ревматоїдним артритом (глава 21) та поліміозитом (глава 22), він вирізняється особливими змінами шкіри, а саме її стовщенням. Феномен Рейно, причиною якого є епізодичне звуження артерій та арте ріол кінцівок, спостерігається майже в усіх пацієнтів і передує іншим симптомам у 70 % випадків. Надмірне відкладення колагену у шкірі призводить до підвищеної ригідності, особливо в кистях, із поступовим розвитком повної нерухомості суглобів. Зміни в капілярах нігтьово го ложа з'являються у ранній стадії; у міру прогресуван ня захворювання ці капіляри майже зникають. Дисфагія, пов'язана із фіброзом стравоходу і, як наслідок, його ригідністю, розвивається у більше ніж 50 % пацієнтів. Згодом деструкція стінки стравоходу призводить до його атонії та дилатації, особливо в нижній частині. Утруднене дихання внаслідок легеневого фіброзу може спричинити дисфункцію правого шлуночка, а міокарді альний фіброз - аритмію або тотальну серцеву недостат ність. Незначна протешурія виникає у ЗО % пацієнтів, але вона рідко сягає достатнього рівня, щоб спричини ти нефротичний синдром. Найбільш загрозливим проявом є злоякісна гіпертензія із послідовним розвитком фаталь ної ниркової недостатності (глава 14); за її відсутності розвиток захворювання повільний. У більшості хворих хвороба неухильно прогресує протягом багатьох років, хоча середня тривалість життя збільшується внаслідок ефективного лікування ускладнень. Захворювання зазвичай має тяжчий перебіг у темношкірих пацієнтів, особливо у темношкірих жінок. Із поліпшенням лікуван ня ниркових ускладнень основними причинами смерті стали легеневі й серцеві ускладнення. Майже в усіх пацієнтів виявляють АИА, які реагу ють із різноманітними ядерними антигенами (див. табл. 5.11). Два типи АИА значною мірою пов'язані із системним склерозом. Одні, спрямовані проти ДНКтопоізомерази-І (апІі-5с! 70), є високоспецифічними й Відторгнення трансплантата асоціюються із більшою вірогідністю розвитку легене вого фіброзу та ураження периферичних судин. Інші, антицентромерні антитіла зумовлюють більшу вірогід ність виникнення СКЕ5Т-синдрому (який характери зується відносно обмеженим ураженням шкіри, часто лише на пальцях, передпліччях та обличчі) й утворен ня підшкірних кальцифікатів. Ураження внутрішніх органів, у тому числі ураження стравоходу, легенева гіпертензія та біліарний цироз, можуть не виникати зовсім або виникати лише в пізній стадії. Взагалі, такі пацієнти живуть довше, ніж пацієнти із системним склерозом, у яких дифузне ураження внутрішніх орга нів розвивається від початку захворювання. РЕЗЮМЕ СИСТЕМНИЙ СКЛЕРОЗ • С истем ний склероз (який часто називають склеродермією) характеризується прогресивним фіброзом ш кіри, травного тракту та інш их органів і тканин. • Ф іб р о з може бути наслідком активації фібробластів ц и то кі нами, які синтезуються Т-лімфоцитами, але щ о саме індукує Т-клітинну відповідь - невідомо. • Ураження ендотелію та м ікроц иркул яторного русла часто виникає при системному склерозі і, вірогідно, призводить до х р о н іч н о ї ішемії, але патогенез судинних змін невідомий. Запальні міопатії Запальні міопатії - рідкісна гетерогенна група роз ладів, що характеризуються ураженням і запаленням переважно скелетних м'язів, які, можливо, є імуноопосередкованими. На основі клінічних, морфологіч них й імунологічних ознак було описано три окремі захворювання: поліміозит, дерматоміозит та міозит із включеннями. Кожне з них може розвиватись окремо або разом з іншими імуно-опосередкованими захво рюваннями, особливо із системним склерозом. Ці хво роби описані у главі 22. Змішане захворювання сполучної тканини Змішане захворювання сполучної тканини - це розлад, клінічні прояви якого спостерігаються і при СЧВ, і при системному склерозі, і при поліміозиті. Захворювання характеризується високим титром антитіл до рибонуклеопротеїДу Ш . Типовими проявами є синовіїт сугло бів пальців, феномен Рейно та помірно виражений міозит. Ураження нирок незначне і добре піддається лікуванню глюкокортикоїдами, принаймні у коротко строковій перспективі. Через те що клінічні прояви спільні з іншими хворобами, змішане захворювання сполучної тканини може не бути чіткою нозологічною формою і згодом прогресує у класичний СЧВ або сис темний склероз, однак така прогресія трапляється не завжди. Тяжкі ускладнення змішаного захворювання сполучної тканини включають легеневу гіпертензію, інтерстиційну хворобу легень і ниркову недостатність. Вузликовий поліартеріїт та інші васкуліти Вузликовий поліартеріїт належить до групи захворю вань, що характеризуються некротичним запаленням стінок кровоносних судин, в основі якого лежать імунопатологічні процеси. Можливе залучення будь-якого типу судин - артерій, артеріол, вен або капілярів. Ці васкуліти розглядаються у главі 10. І§С4-асоційоване захворювання І§С4-асоційоване захворювання (І§С4-ІШ) - нещо давно виокремлена група фіброзно-запальних роз ладів, що характеризуються утворенням тканинних інфільтратів, багатих на І§С4-антитілопродукувальні плазмоцити і лімфоцити (зокрема Т-лімфоцити), а також фіброзом й облітераційним флебітом (рис. 5.30). Захворювання часто, але не завжди, супро воджується підвищенням рівня І§С4 у плазмі крові. Збільшена кількість І§С4-антитілопродуку вальних плазмоцитів - необхідна умова розвитку захворю вання. Нині воно описане в майже кожній системі органів, включаючи жовчовивідні шляхи, слинні залози, періорбітальні тканини, нирки, легені, лімфа тичні вузли, оболони головного мозку, аорту, грудну залозу, передміхурову залозу, щитоподібну залозу, перикард і шкіру. Багато захворювань, які раніше вважали хворобами одного органа, зараз розглядають як частину спектра І§С4-КО. До них належать синдром Мікуліча (збільшення і фіброз слинних та сльозових залоз), тиреоїдит Ріделя, ідіопатичний ретроперитонеальний фіброз, аутоімунний панкреатит, запальні псевдопухлини орбіти, легень і нирок. Захворювання найчастіше уражує чоловіків середнього та похилого віку. Патогенез є незрозумілим, і хоча продукування І§С4 у вогнищах ураження слугує діагностичним критерієм захворювання, невідомо, чи цей тип антитіл бере участь у його патогенезі. Гіпотезу про ключову роль В-клітин підтверджують результати клінічних досліджень: виснаження В-клітин антиВ-ліфоцитарними реагентами, такими як ритуксимаб, дає клінічний ефект. ВІДТОРГНЕННЯ ТРАНСПЛАНТАТА Величезною перешкодою для трансплантації є про цес відторгнення, при якому імунна система реципі єнта розпізнає трансплантат як чужорідну тканину й атакує його. Ключовим моментом успішної транс плантації стало розроблення терапевтичних мето дик, що запобігають відторгненню або мінімізують його. Відторгнення трансплантата розглядається у цій главі, тому що воно зумовлене імунними реак ціями, які лежать в основі імуно-опосередкованих запальних захворювань. Розпізнавання та відторгнення алотрансплантатів Відторгнення - процес, при якому Т-лімфоцити й антитіла, що продукуються проти антигенів транс плантата, реагують із трансплантатом і знищують його. Надалі ми розглянемо, як це відбувається. Р озпізнавання алоант игенів т рансплант ат а Основною антигенною відмінністю між доно ром і реципієнтом, яка й призводить до відторг 167 168 ГЛАВА 5 Захворювання імунної системи Рис. 5.30. І£ С 4 -а с о ц ій о в а н е з ах в о р ю в а н н я - р е п р е з е н т а ти в н і у р а ж е н н я : А - жовчна протока при склерозивному холангіті. Б склерозована ділянка жовчної протоки із «муаровим» фіброзом. 8 - підщелепна слинна залоза із лімфоцитарно-плазмоцитарними інфільтратами та фіброзом. Г - сльозова залоза із маркуванням антитіл проти І§С4, що демонструє велику кількість І§С4-продукувальних плазматичних клітин. (Надано Т. Кат ізат, У. 2.еп, 5. РіІІаі е і аі: /§С4-ге/аСегі с&еігсе, І_апсеї 385:1460, 2015.) нення трансплантата, є відмінність алелів НЬА. Трансплантати, пересаджені від представників одно го виду, називають алотрансплантатами. Через те що гени НЬА високополіморфні, між представниками виду завжди є відмінності (окрім, звісно, монозиготних близнят). Після трансплантації Т-лімфоцити реципі єнта розпізнають донорські антигени (алогенні анти гени, або алоантигени) двома шляхами: (1) унаслідок презентації їх Т-лімфоцитам реципієнта за допомогою АПК трансплантата; (2) унаслідок захоплення їх АПК реципієнта, оброблення (як будь-якого іншого чужо рідного антигену) і презентації Т-лімфоцитам реци пієнта. Вищенаведені способи називають прямим та непрямим шляхами розпізнавання алоантигенів. Обидва призводять до активації СИ8+ Т-клітин, які стають цитотоксичними лімфоцитами, і СГ)4+ Т-клітин, які своєю чергою перетворюються на цитокінопродукувальні ефекторні клітини, переважно ТЬІ. Ми не знаємо важливість цих механізмів у відторгненні ало трансплантатів. Прямий шлях може бути найважли вішим при гострому відторгненні, опосередкованому цитотоксичними Т-лімфоцитами, а непрямий може відігравати більшу роль при хронічному відторгнен ні, описаному нижче. Кількість Т-лімфоцитів, які можуть розпізнати чужорідний антиген у трансплантаті, набагато більша, ніж кількість Т-лімфоцитів, специфічних для будьякого мікроорганізма. Через це імунна відповідь на алотрансплантат набагато сильніша за відповідь на патогени. Як можна передбачити, такі сильні реакції можуть знищити трансплантат досить швидко, і контр оль над цим процесом потребує застосування потуж них імуносупресивних препаратів. М е ха н ізм и відт оргнення т рансплант ат а Відторгнення трансплантата за клінічними та пато генетичними ознаками класифікують як надгостре, гостре й хронічне. Цю класифікацію запропонували нефрологи і патоморфологи на основі вивчення меха нізмів відторгнення алотрансплантатів нирок, і вона пройшла випробування часом. Кожен тип відторгнен ня опосередкований окремим типом імунної відповіді. У нижченаведеній дискусії опис морфологічної кар тини відторгнення обмежений алотрансплантатами Відторгнення трансплантата нирок, але подібні структурні зміни спостерігаються і в інших трансплантованих органах. • Н а д го ст р е від т ор гн ен н я опосередковане попе редньо утвореними антитілами, специфічними для антигенів ендотеліальних клітин транс плантата. Попередньо утворені антитіла можуть бути природними І§М, специфічними для гру пових антигенів крові, або антитілами, специ фічними для алогенних молекул МНС унаслідок попереднього контакту при гемотрансфузіях, вагітності або трансплантації органів. Одразу піс ля трансплантації та відновлення кровопостачан ня трансплантата антитіла зв'язуються з антигена ми на ендотелії судин трансплантата й активують системи комплементу і згортання крові, що при зводить до ушкодження ендотелію, формування тромбів та ішемічного некрозу трансплантата (рис. 5.31, А). Надгостре відторгнення - не дуже поширена проблема, оскільки кожного донора і реципієнта перевіряють на сумісність груп крові, а потенційних реципієнтів - на наявність антитіл проти клітин проспективного донора за допомо гою тесту, який отримав назву «перехресна суміс ність» (сгозв-таіск). ності трансплантата. Гостре відторгнення також може відбуватися раптово через кілька місяців або навіть років, після зниження дози чи відміни імуносупресивних препаратів. Залежно від ролі Т-клітин чи антитіл його поділяють на два типи морфологічних змін, хоча зазвичай спостерігаєть ся поєднане ушкодження. При гострому клітинно му відторгненні СБ8+ цитотоксичні Т-лімфоцити безпосередньо знищують клітини трансплантата або С 04+ Т-лімфоцити секретують цитокіни й індукують запалення, що ушкоджує трансплантат (рис. 5.32, А). Т-клітини також можуть діяти проти судин трансплантата, призводячи до їх ушкоджен ня. Сучасна імуносупресивна терапія спрямована переважно на запобігання і зменшення гострого відторгнення шляхом блокування активації алореактивних Т-лімфоцитів. МОРФОЛОГІЯ Гостре клітинне (опосередковане Т-лімфоцитами) відторгнення може спричиняти два різні патерни уш кодження. • П ри тубулоінтерстиційному патерні (іноді й о го називають ти п і) наявні екстенсивне інтерстиційне запалення та запа лення канальців (тубуліт), асоційоване із фокальним їх у ш ко дженням (рис. 5.32, Б). Як можна було очікувати, запальні інфільтрати містять активовані С 0 4 + і С 0 8 + Т-лімфоцити. МОРФОЛОГІЯ П ри надгострому відторгненні уражена нирка ш видко стає ціанотичною , строкатою й ануричною . Майже всі артеріоли та артерії мають ознаки ф ібриноїдного некрозу стін ок і звуження • П ри судинному патерні наявні запалення судин (тип II; рис. 5.32, 6 ) й, іноді, некроз суд инної стін ки (тип III). В ура ж е н и х судинах спостерігається набряк ендотеліоцитів, іноді просвіту тромбами аж до повної оклю зії (рис. 5.31, Б). Н е й тр о між ендотелієм і суд инн ою с тін ко ю візуалізуються лімф оци філи ш видко акумулюються в артеріолах, ни ркових клубочках ти; такі зміни отримали назву ендотеліїт, або інтимальний та перитубулярних капілярах, із наростанням і пош иренням артеріїт . Розпізнавання кл іти н н о го відторгнення є важли таких змін у капілярах ни ркових клубочків також виникає тр о м вим, оскільки за відсутності о д н о ча сн о го гум орального від боз з оклю зією просвіту, і згодом кора нирки некротизується то р гне нн я більш ість пацієнтів добре відповідають на ім уно- (розвивається інфаркт). Уражена нирка втрачає свої ф ункції і супресивну терапію. підлягає видаленню. • Гост ре відт ор гн ен н я опосередковане Т-лімфоци тами або антитілами, що активуються алоантигенами трансплантата. Цей стан розвивається протягом кількох днів або тижнів після трансплан тації і є основною причиною ранньої недостат Кровоносна судина Алоантигени (наприклад, антиген групи крові) Ендотеліальна клітина При гострому антитіло-опосередкованому (судинному чи гуморальному) відторгненні антитіла зв'язуються з ендотелієм судин й активують систему комплементу класичним шляхом (рис. 5.33, А). Запалення та ушко дження ендотелію, що виникають у результаті цього, спричинюють недостатність трансплантата. Активація системи комплементу, ушкодження ендотелію, запалення і тромбоз Циркулюючі алоантигенспецифічні антитіла А Рис. 5 .3 1 . Н а д го с тр е в ід то р гн е н н я тран сп л антата: А - «осідання» антитіл на ендотелії та активація системи комплементу спричинюють тромбоз. Б - надгостре відторгнення алотрансплантата нирки: фібриново-тромбоцитарні тромби, виражена ішемія ниркових клубочків 169 170 ГЛАВА 5 А Захворювання імунної системи Алоантиген-специфічні СР8 + і С04+ Т-лімфоцити Прямии кіл ін г Мобілізовані макрофаги і нейтрофіли Паренхіматозні клітини Макрофаг Ушкодження паренхіма тозних клітин, запалення Рис. 5 .3 2 . Г о стр е к л іт и н н е в ід т о р г н е н н я т р а н с п л а н т а т а : А - руйнування клітин трансплантата Т-лімфоцитами. Гостре Т-клітинноопосередковане відторгнення передбачає безпосередній кілінг клітин трансплантата за допомогою С й 8 + цитотоксичних лімфоцитів та запален ня, спричинене цитокінами, які синтезують С 0 4 + лімфоцити. Б - гостре клітинне відторгнення трансплантата нирки проявляється накопиченням запальних клітин в інтерстиції та міжепітеліальних просторах ниркових канальців (тубуліт). 6 - васкуліт у відторгненому трансплантаті нирки. Продемонстровані артеріоли із запальними клітинами (стрілка), що атакують й ушкоджують ендотелій (ендотеліїт). (Подяка йг$ 2 . І-азгік апсі ). Киап%-Уи, йерагітепі о[ РаіНоІо§у, і/піуегзіїу СаІІ[огпіа, 5ап Ргапсіхо, Саіі[огпіа.) Щ т М О Р Ф О Л О ГІЯ Гостре антитіло-опосередковане відторгнення проявляється переважно уш кодженням ниркових клубочків і дрібних крово носних судин. Типовим є запалення ниркових клубочків та перитубулярних капілярів (рис. 5.33, Б), щ о супроводжується від кладенням продуктів системи комплементу внаслідок її активації антитілозалежним класичним шляхом (рис. 5.33, В). У дрібних судинах також можливий розвиток фокального тромбозу. постійно поліпшуються, зумовлюючи більше ніж 1-річну виживаність трансплантатів, хронічне від торгнення рефрактерне до більшості методів ліку вання і слугує основною причиною недостатності трансплантата. ЛШШк §Г/МОРФОЛОГІЯ П ри х р о н іч н о м у від то р гне н ні д о м іную ть судинні зміни, часто зі стовщ енням інтим и та окл ю зією судин (рис. 5.34, Б). У • Х ронічне відт ор гн ен н я - це повільне прогресив не ушкодження трансплантата, яке розвивається протягом місяців або років і призводить до втра ти функції трансплантата. Хронічне відторгнен ня проявляється інтерстиційним фіброзом і посту повим звуженням просвіту кровоносних судин трансплантата (артеріосклероз трансплантата). Вважають, що провідну роль при обох ураженнях відіграють Т-клітини, які реагують з алоантигенами трансплантата і секретують цитокіни, що стимулюють проліферацію й активність фібро бластів і гладких м'язових клітин судинної стінки трансплантата (рис. 5.34, А). Алоантитіла також мають певне значення у хронічному відторгнен ні. Хоча методи лікування, спрямованого на про філактику або зменшення проявів відторгнення, трансплантатах н и р о к під час д о слідж ення виявляють гломерулопатію із подвоєнням базальних мембран, йм овірно, в т о р и н н о го характеру внаслідок х р о н іч н о го уш код ж е ння ендотелію (рис. 5.34, 8 ), і п е р и туб ул я р н и й капіл ярит із муль ти п л іка ц іє ю базальних мембран ц и х судин. Ін те р сти ц ій н и й ф іброз та атрофія канальців із втратою н и р ко в о ї па р ен хі ми м о ж уть бути в то р и н н и м и внаслідок уш ко д ж е н н я судин (рис. 5.34, Г). М он о нукл е а рн і інфільтрати в ін те р сти ц ії зазви чай п о о д и н о кі. М е т о д и ки підвищ ення в и ж и в а н о с т і т рансплант ат а Через те що молекули НЬА є основною мішенню при відторгненні трансплантата, ретельний вибір донора і реципієнта поліпшує виживаність трансплантата. Вибір за сумісністю НЬА має більшу перевагу для Відторгнення трансплантата Кровоносна судина Ендотеліальна клітина Алореактивне антитіло Запалення ендотелію .лшшвтатшшіїтштшт Активація системи комплементу Рис. 5 .3 3 . Гостре а н т и т іл о -о п о с е р е д к о в а н е (гу м о р а л ь н е ) в ід то р гн е н н я тр ан сп л антата: А - ушкодження, спричинене «осіданням» антитіл у судинах. Б - світлова мікроскопія: запалення (капілярит) у перитубулярних капілярах (стрілка) трансплантата нирки. В - імунопероксидазна реакція: «осідання» депозитів С 0 4 у перитубулярних капілярах і ниркових клубочках. (Подяка Ог. 7.. І а$гік, йєрагітепі оСРаіНоІо§у, Ііпіуегзіґу о [ СаЧ[огпіа, 5ап Ргапсізсо, СаІІ(огпіа.) виживаності трансплантатів нирок від спорідненого донора, ніж для інших видів трансплантатів; вижива ність збільшується прямо пропорційно до кількості сумісних локусів. Унаслідок розроблення ефективних препаратів для імуносупресії вибір за сумісністю НЬА більше не проводять перед трансплантацією серця, легень, печінки та острівцевих клітин підшлункової залози; у цих випадках реципієнту часто необхідна термінова трансплантація, тому інші чинники, такі як анатомічна сумісність, мають більше значення. Імуносупресія реципієнта є необхідною при трансплантації будь-якого органа, окрім випадків із монозиготними близнятами. Наразі використовують такі препарати, як циклоспорин, споріднений РК506, мофетил-мікофенолат (ММР), рапаміцин, азатіоприн, глюкокортикоїди, антитимоцитарні імуноглобуліни і моноклональні антитіла (наприклад, моноклональні анти-СОЗ). Циклоспорин та РК506 пригнічують Т-клітинно-опосередкований імунітет, інгібуючи транскрипцію генів цитокінів, зокрема гена, який кодує ІЬ-2. Хоча імуносупресія уможливила тран сплантацію багатьох органів, вона має свої невирішені питання. Пригнічення імунної системи призводить до підвищеного ризику розвитку опортуністичних грибкових, вірусних та інших інфекцій. Реактивація латентних вірусів, таких як цитомегаловірус та поліо- мавірус, є частим ускладенням. На тлі імуносупресії підвищується ризик виникнення вірусіндукованих пухлин, таких як лімфома, спричинена вірусом Епштейна-Барр, і плоскоклітинна карцинома, інду кована вірусом папіломи людини. Щоб подолати несприятливі ефекти імуносупресії, багато зусиль приділяється індукції донор-специфічної толерант ності Т-лімфоцитів реципієнта. Одна зі стратегій запобігання отриманню костимуляційних сигналів Т-лімфоцитами реципієнта від дендритних клітин донора під час початкової фази сенсибілізації. Цього можна досягти шляхом застосування препаратів, які блокують взаємодію протеїнів В7 на дендритних клі тинах трансплантата і С028-рецепторів на Т-клітинах реципієнта, що перериває другий сигнал для акти вації Т-лімфоцитів й індукує їх апоптоз або анергію. Інші підходи включають ін'єкційне введення реципі єнту регуляторних Т-лімфоцитів, збагачених клітина ми, специфічними для донорських алоантигенів; такі дослідження нині перебувають на початкових етапах. Трансплантація гемопоетичних стовбурових клітин Використання гемопоетичних стовбурових клітин для трансплантації при пухлинах системи крові 171 172 ГЛАВА 5 Захворювання імунної системи Кровоносна судина Фіксація антитіла до Хронічна запальна реакція у судинній стінці Проліферація гладких м'язових клітин Оклюзія просвіту судини специфічний С04+ Т-лімфоцит Цитокіни Гладка м'язова клітина судинної стінки ■у „ • яг, »* ; "Ь • у ч ;• , ^' ' ., 4 . й агГ # , У •V * л . • > Ф V✓ - і 4 , #> ч- * & т- : %0 Г '^ у д - " • ,у . і » ' 1/• Л. , 'і *•* і V \ *• . .. '*/■ А . .V -Ч 'і- V ’• ■ • ?~ — *' - іі' »’ ''>:••і•« , '>*/, *' * . . • к\ . >-■* •.* . л V .- •■А • »•. ’ ■* •в? *і‘ , * .• - І Vі: V .-- . - - ^ ь . ч * аг. ”•у‘ * Рис. 5 .3 4 . Х р о н іч н е в ід то р гн е н н я тр ан сп л антата: А - артеріосклероз трансплантата, спричинений цитокінами Т-лімфоцитів й «осіданням» антитіл. Б - ділянка артеріосклерозу в трансплантаті серця. В - гломерулопатія трансплантата, характерний прояв хронічного антитіло-опосередкованого відторгнення. У ниркових клубочках спостерігаються запальні клітини серед капілярних петель (гломеруліт), накопичення мезангіального матриксу та мультиплікація базальних мембран капілярів. Г - інтерстиційний фіброз й атрофія, що виникають унаслідок склерозу артерій та артеріол при хронічному відторгненні алотрансплантата нирки. При трикомпонентному фарбуванні в ділянці синього кольору (зірочка) виявляють фіброз, що контрастує з нормальною будовою нирки (зверху праворуч). Показана артерія з вираженим атеросклерозом (знизу праворуч). (Б подяка 0 г. К. МіісНеІІ, йераПт епі о(РаіЬоІо§у, Вгі^Нат апсі У/отеп’з НозріїаІ, Возіоп, МаззасЬизет. В і Г - подяка 0 г. 2. іазіік, йерапт епі о(РаіНоІо§у, ііпіуегзіїу о [ СаІІ[огпіа, 5ап Ргапсізсо, Саіі/огпіа.) (гемобластозах), синдромах недостатності кісткового мозку (зокрема апластичній анемії) і розладах, спри чинених природженими дефектами гемопоетичних стовбурових клітин (таких як серпоподібно-клітинна анемія, таласемія та природжені імунодефіцити), зростає щороку. Трансплантація генетично «перепрограмованих» стовбурових клітин, отриманих від хворих, може бути ефективною при лікуванні приро джених форм імунодефіциту. Раніше гемопоетичні стовбурові клітини отримували із кісткового мозку, але зараз їх зазвичай беруть із периферичної крові після мобілізації з кісткового мозку шляхом уведення факторів стимуляції гемопоезу, або із пуповинної крові новонароджених - багатого джерела стовбу рових клітин. При більшості станів, які слугують показанням до трансплантації гемопоетичних стов бурових клітин, реципієнт отримує дозу опромінен ня або хіміотерапії для знищення імунних клітин (й, іноді, ракових клітин) і для «відкриття» ніш у мікрооточенні кісткового мозку, яке живить стовбурові клітини, у такий спосіб уможливлюючи імплантацію трансплантованих стовбурових клітин. Цей метод трансплантації ускладнюють дві основні проблеми, які відрізняють її від трансплантації паренхіматоз них органів: реакція «трансплантат проти хазяїна» та імунодефіцит. Х во р о б а «т рансплант ат п р о т и хазяїна» (Сга(і-Уег5и$-Но$і й ізеазе - С У Н 0 ) СУНО виникає, якщо імунокомпетентні клітини або їх попередники трансплантують пацієнтам з імуно дефіцитом, і трансплантовані клітини розпізнають алоантигени реципієнта й атакують його тканини. Такий феномен найчастіше спостерігають при тран сплантації гемопоетичних стовбурових клітин, і рідко при трансплантації паренхіматозних органів, багатих на клітини лімфоїдного ряду (наприклад, печінки). У разі отримання алогенних стовбурових клітин імуноскомпрометований реципієнт не може відторгнути трансплантат, але Т-клітини, наявні у трансплантаті, сприймають тканину реципієнта як чужорідну і реагу ють проти неї. Це призводить до активації донорських С 04+ та С 08+ Т-лімфоцитів, що спричинює запалення й ушкодження клітин реципієнта. Щоб мінімізувати СУНО, трансплантацію гемопоетичних стовбурових клітин проводять між донором і реципієнтом, яких ретельно підбирають за НЬА-антигенами шляхом застосування методів, що ґрунтуються на секвенуванні ДНК. Розрізняють дві форми СУНО. • Гостра СУНО (виникає через кілька днів або тижнів після трансплантації) спричинює некроз епітелі Синдроми імунодефіциту альних клітин у трьох основних таргетних орга нах: печінці, шкірі й кишках. Деструкція дрібних жовчних протоків стає причиною жовтяниці, а виразкування слизової оболонки кишок - кривавої діареї. Ураження шкіри (рис. 5.35) супроводжуєть ся висипом, що з'являється спочатку на шиї, вухах, долонній та підошвовій поверхнях кистей і стоп, а потім генералізується. • Хронічна СУНО може виникати після гострого синдрому або розвиватись непомітно. У паці єнтів з'являються ураження шкіри, схожі на такі при системному склерозі (див. раніше), а також симптоми, що нагадують інші аутоімунні захворювання. Унаслідок того що СУНО розвивається за раху нок реакції Т-лімфоцитів, які містяться у клітинах трансплантата, виснаження (деплеція) Т-лімфоцитів перед трансплантацією майже нівелює захворюван ня. Проте доведено, що такий підхід має дві сторони медалі: СУНО усунена, але підвищується вірогід ність рецидиву пухлини у пацієнтів із лейкемією, а також частота виникнення недостатності трансплан тата й В-клітинних лімфом, асоційованих із вірусом Епштейна-Барр. Здається, що багатофункціональні Т-клітини не лише продукують СУНО, а й необхідні для приживлення донорських стовбурових клітин, супресії клонів В-лімфоцитів, інфікованих вірусом Епштейна-Барр, та контролю за лейкемічними клітинами. Імунодеф іцит и Такі стани у реципієнтів донорських стовбурових клі тин часто є тривалими. Серед багатьох причин імуно дефіцитів - повільне відновлення клітин адаптивної імунної системи (що походять із донорських стовбу рових клітин) після того, як імунна система реципі єнта була зруйнована або супресована задля того, щоб уможливити трансплантацію. Протягом багатьох місяців, що можуть бути необхідними для відновлення імунітету, реципієнти мають високий ризик зараження багатьма інфекціями, найчастіше - вірусами, такими як цитомегаловірус і вірус Епштейна-Барр. РЕЗЮМЕ РОЗПІЗНАВАННЯ ТА ВІДТОРГНЕННЯ ТРАНСПЛАНТАТА Відторгнення трансплантованих паренхім атозних органів ін іц ію ю ть переважно Т-лімф оцити реципієнта, які розпізна ю ть чуж ор ід ні Ш А -а н т и ге н и трансплантата безпосередньо (на А П К д онора) або опо сер е д ко ва но (після захоплення та презентації А П К реципієнта). Розрізняю ть такі ти п и і механізми відторгнення трансплан татів паренхім атозних органів: • Надгостре відторгнення: по пе р е д ньо утворені а нти ті ла зв’язуються з ендотелієм трансплантата одразу після трансплантації, щ о призводить до тромбозу, іш ем ії та ш в ид ко го розвитку нед остатності трансплантата. * Гостре клітинне відторгнення: Т-лімф оцити руйную ть па ренхім у трансплантата (та й о го судини) унаслідок цитото кси ч н о сті й запальних реакцій. • Гостре антитіло-опосередковане (гуморальне) відторгнен ня: антитіла уш ко д ж ую ть судини трансплантата. * Хронічне відторгнення: переважає склероз артеріол. Ц ей тип зумовлений активацією Т-клітин й антитілами. Т-лімфоцити можуть секретувати цитокіни, які індукують проліферацію гладких м'язових клітин у судинній стінці, а антитіла спри чиню ю ть уш кодження епітелію. Ураження судин і Т-клітинні реакції призводять до фіброзу паренхіми. З апобігання від то р гне н ню трансплантата ґрунтується на застосуванні ім ун о супр е сивних препаратів, які п р игнічую ть ім унну відповідь, спрям овану пр о ти трансплантата. Трансплантація ге м о п о е ти ч н и х сто вб уро вих клітин п о тр е бує ретельного ви бору д о но р а і реципієнта, часто усклад нюється х в о р о б о ю «трансплантат п р о ти хазяїна» (С У Н О ) та імунодеф іцитом. СИНДРОМИ ІМУНОДЕФІЦИТУ Розрізняють первинні (або природжені) імунодефіцити, які генетично детерміновані, і вторинні (або набуті) імунодефіцити, що можуть виникати як ускладнення онкологічних та інфекційних захворювань, нераціо Рис. 5.35. Гостра х в о р о б а « тр а н с п л а н та т п ро ти х а зя їн а » із зал у ч ен н я м ш кір и : А - вогнищевий некроз епітеліальних клітин та інфільтрація шкіри мононуклеарами (лімфоцити і макрофаги). Б - вогнищевий некроз епітеліальних клітин (стрілки) 174 ГЛАВА 5 Захворювання імунної системи нального харчування або як побічний ефект імуно супресії, радіаційного опромінення чи хіміотерапії при лікуванні онкологічних та інших захворювань. Імунодефіцити клінічно проявляються підвищен ням частоти виникнення набутих чи латентних реактивованих інфекцій. Первинні імунодефіцити є випадковостями природи, які дають можливість зро зуміти роль деяких молекул, ключових для розвитку імунної системи. Парадоксально, але деякі імунодефі цити асоційовані також з аутоімунними захворюван нями, ймовірно тому, що імунодефіцит призводить до порушення регуляторних механізмів або персистенції інфекцій, які зумовлюють аутоімунні процеси. У цій главі ми стисло розглянемо найважливіші та найбіль ше вивчені первинні імунодефіцити, після чого буде представлений детальний опис синдрому набутого імунодефіциту (СНІД) - найтяжчого прояву вторин них імунодефіцитів. Первинні (спадкові) імунодефіцити Первинні імунодефіцити - це спадкові генетичні захворювання, при яких порушуються механізми природженого імунітету (фагоцити, ІМК-клітини, система комплементу) чи гуморальної і/або клітин ЧЕРВОНИЙ КІСТКОВИЙ ної ланки адаптивного імунітету (опосередкованого В- і Т-лімфоцитами відповідно). Такі імунодефіцити зазвичай виявляють у ранньому дитячому віці, як пра вило, між 6-м місяцем і 2-м роком життя; їх ознаками є схильність до рекурентних інфекцій. Завдяки роз витку генетичного аналізу нині відомі мутації, асоці йовані із багатьма із цих хвороб (рис. 5.36). Спочатку ми розглянемо патологію дозрівання й активації В- і Т-лімфоцитів, яка трапляється частіше, і закінчимо описом патології природженого імунітету. Т я ж к и й ком бінований імунодеф іцит Тяжкий комбінований імунодефіцит (ТКІД; 8СГО) це сукупність окремих генетичних синдромів, які об'єднують порушення розвитку зрілих Т-лімфоцитів і/або В-лімфоцитів, а також дефекти гумо рального і клітинно-опосередкованого імунітету. У хворих дітей виявляють кандидоз ротової порожнини, тяжкий пелюшковий дерматит і затримку розвитку. У деяких немовлят виникає генералізований висип одразу після народження внаслідок того, що Т-клітини матері проходять через плаценту й атакують плід, спричинюючи СУНО. Діти із ТКІД дуже схильні до рекурентних тяжких інфекцій, спричинених широ ким спектром патогенів, серед яких СапііМа аІЬісапз, мозок ТИМУС Плюрипотентна стовбурова клітина Про-В-лімфоцити Про-Т-лімфоцит Х-зчеплений 5СЮ (у-ланцюг рецептора цитокінів) Загальний попередник мієло- та лімфопоезу Пре-В-лімфоцити Х-зчеплена агаммаглобулінемія Незрілі Т-лімфоцити ж Т-клітинний • рецептор ------Синдром Ді Джорджі * __ Дефіцит МНС II класу Зрілий Т-лімфоцит С04+ Зрілий В-лімфоцит Рис. 5 .3 6 . П е р в и н н і ім у н о д е ф іц и ти . Показані основні напрямки диференціювання лімфоцитів і блокування цих шляхів при деяких первин них імунодефіцитах. Уражені гени при зазначених розладах взято в дужки. ДДА - аденозиндезаміназа; С й 4 0 і - С040-ліганд (також відомий як С 0154); СУЮ - загальний варіабельний імунодефіцит; 5С/0 - тяжкий комбінований імунодефіцит Синдроми імунодефіциту Рпеитосузііз ]ігсюесі, Рзеисіотопаз, цитомегаловірус, вірус вітряної віспи і дуже багато бактерій. Без транспланта ції гемопоетичних стовбурових клітин дитина помирає на першому році життя. Загальна захворюваність ста новить приблизно 1 випадок на 65-100 тис. населення, але цей показник у 20-30 разів вищий у деяких популя ціях корінного населення США. Незважаючи на спільні клінічні прояви різних форм ТКІД, механізми, що лежать в їх основі, відрізняються. Часто первинний дефект локалізується у Т-клітинній ланці, із вторинним ураженням гуморального імуніте ту. Нижче описано дві основні форми ТКІД. • Х-зчеплений ТКІД. Приблизно 50 % випадків ТКІД є Х-зчепленими; вони спричинені мутаціями у гені, що кодує спільний у (ус)-ланцюг, який є ком понентом рецепторів до цитокінів ІЬ-2, ІЬ-4, ІЬ-7, ІЬ-9 та ІЬ-15. Із наведених цитокінів саме патологія сигнального шляху ІЬ-7 - найважливіший механізм, що лежить в основі ТКІД, тому що цей цитокін від повідає за стимуляцію виживання та експансії незрі лих попередників В- і Т-лімфоцитів у генеративних органах лімфопоезу. • А ут осом но-рецесивнш ї ТКІД. Інші 40-50 % випад ків ТКІД мають аутосомно-рецесивний тип успадкування; приблизно половина цих випад ків спричинена мутаціями аденозиндеамінази (АДА) - ферменту, який бере участь у метаболізмі пуринів. Дефіцит АДА призводить до накопичен ня метаболітів аденозину й деоксиаденозину трифосфату, які інгібують синтез ДНК і справляють токсичний вплив на лімфоцити. Інші аутосомнорецесивні форми ТКІД є наслідком різноманітних дефектів інших шляхів метаболізму пуринів, най частіше - недостатної експресії МНС II класу або мутацій у генах, що кодують рекомбіназу, відпові дальну за реорганізацію генів, що кодують рецепто ри до антигенів у лімфоцитах. “ /М О РФ ОАО ГІЯ Г іс т о л о г іч н і з м ін и при ТКІД залежать від дефекту, що лежить в основі захворювання. При двох найпоширеніших формах (мутація ус-ланцюга і дефіцит АДА) тимус має малі розміри й позбавлений клітин лімфоїдного ряду. При Х-зчепленому ТКІД часточки тимуса складаються з недиференційованих епітелі альних клітин, які нагадують тимус плода, тоді як при ТКІД, зумовленому дефіцитом АДА, можна виявити залишки тілець Гассаля. При обох захворюваннях інші лімфоїдні тканини також є гіпопластичними, із вираженим виснаженням Т-клітинних ді лянок, а в деяких випадках - Т- і В-клітинних ділянок. Наразі трансплантація гемопоетичних стовбурових клітин є основним методом лікування. Х-зчеплений ТКІД - перше захворювання, при якому генна терапія була успішною. Для її проведення у стовбурових клі тинах пацієнта за допомогою вірусного вектора екс пресують нормальний ген ус, а потім ці клітини знову трансплантують пацієнту. Клінічний досвід малий, але в деяких пацієнтів спостерігали реконституцію імунної системи протягом кількох років після генної терапії. На жаль, у майже 20 % пацієнтів, що отри мали вірусний вектор першої генерації, розвинулася Т-клітинна гостра лімфоїдна лейкемія (Т-ГЛЛ), що свідчить про небезпеку такого підходу до генної тера пії. Неконтрольована проліферація Т-лімфоцитів, ймовірно, є результатом інтеграції вірусу в геном, який подавляє онкоген, що призводить до активації онкогену, а також, можливо, через перевагу в рос ті, зумовлену введенням нормальним гена ус. Нині проводять дослідження з використанням нових век торів із вбудованими захисними характеристиками. Пацієнтів із дефіцитом АДА також лікують шляхом трансплантації гемопоетичних стовбурових клітин, а віднедавна - і за допомогою введення ферменту або генної терапії з експресією нормальних генів АДА у попередники Т-клітин. Х-зчеплена агаммаглобулінемія Х-зчеплена агаммаглобулінемія, або хвороба Брутона, характеризується неможливістю дозріван ня пре-В-лімфоцитів до зрілих В-лімфоцитів і, як відображено в назві, унаслідок цього - відсутністю антитіл (у-глобулінів) у крові. Це одна з найпоши реніших форм первинних імунодефіцитів, виникає із частотою 1 випадок на 100 тис. немовлят чоловічої статі. У процесі нормального дозрівання В-клітин гени важких ланцюгів імуноглобулінів реорганізуються в першу чергу, а вже після них - легкі ланцюги. На кож ному етапі від експресованих компонентів антигенного рецептора надходять сигнали, які запускають наступну стадію дозрівання; вони є «контролем якості», оскільки забезпечують продукування правильних рецепторних білків. При Х-зчепленій агаммаглобулінемії дозрівання В-лімфоцитів припиняється після первинної реоргані зації важких ланцюгів унаслідок мутації тирозинкінази, яка асоційована із рецептором пре-В-лімфоцитів і бере участь у трансдукції сигналів у пре-В-лімфоцитах. Цю кіназу називають тирозинкіназою Брутона (англ. Вгиіоп іугозіп кіпазе - ВТК). Коли ВТК не функціонує, рецептор пре-В-лімфоцитів не може послати сигнал клітинам, щоб ті продовжували дозрівання. Як наслі док, легкі ланцюги імуноглобулінів не синтезуються, тому повноцінну молекулу, що складається з важких і легких ланцюгів, неможливо зібрати і транспортувати на плазматичну мембрану, хоча вільні важкі ланцюги можуть виявлятися у цитоплазмі. Через те що ген ВТК розміщений на Х-хромосомі, захворювання спостері гається тільки у чоловіків. Було описано спорадичні випадки із подібними змінами в осіб жіночої статі, можливо, унаслідок мутації в інших генах, які функціо нують у тому самому каскаді. Класичні випадки захворювання характеризуються значним зменшенням кількості В-лімфоцитів у крові й вторинних лімфоїдних органах, а також відсутністю гермінативних центрів та плазматичних клітин у цих органах. Кількість Т-лімфоцитів і Т-клітинні реакції можуть бути нормальними. Захворювання зазвичай не проявляється приблизно до 6-місячного віку, коли материнські антитіла, транс портовані через плаценту, перестають функціонувати. У більшості випадків рецидивні бактеріальні інфек ції дихальних шляхів, такі як гострий та хронічний фарингіт, синуїт, середній отит, бронхіт і пневмонія, привертають увагу до дефектів імунної системи, які лежать в основі цих захворювань. Майже завжди збуд никами є НаеторШиз іп/іиепгае, 5ігеріососсиз рпеитопіае або ЗіарНуїососсиз аигеиз - мікроорганізми, які в нормі 175 176 ГЛАВА 5 Захворювання імунної системи опсонізуються антитілами і знищуються фагоцитами. Оскільки антитіла важливі для нейтралізації певних вірусів, такі пацієнти мають підвищений ризик захво ріти на деякі вірусні інфекції, особливо ентеровірусні. Ці віруси уражують травний тракт і звідти проникають у нервову систему через кров. Отже, імунізація живим поліовірусом супроводжується ризиком паралітичного поліомієліту, а інфікування вірусом ЕСНО може при звести до летального енцефаліту. З тієї самої причини Сіагсііа ІатЬІіа, представник кишкових найпростіших, ріст якої в нормі пригнічується секреторними І§А, спричинює персистентні інфекції при Х-зчепленій агаммаглобулінемії. Багато внутрішньоклітинних вірус них, грибкових та протозойних інфекцій мають доволі сприятливий прогноз завдяки інтактному Т-клітинному імунітету. Із нез'ясованих причин аутоімунні захворювання (такі як ревматоїдний артрит і дермато міозит) розвиваються у 35 % пацієнтів із Х-зчепленою агаммаглобулінемією. Лікування полягає у замісній терапії шляхом вну трішньовенного введення донорського імуноглобуліну. Синдром Д і Д ж о р д ж і (гіпоплазія тимуса) Синдром Ді Джорджі спричинений природженим дефектом розвитку тимуса, унаслідок чого порушу ється дозрівання Т-лімфоцитів. Т-клітини відсутні у лімфатичних вузлах, селезінці та периферичній крові, і немовлята із цією патологією надзвичайно схильні до вірусних, грибкових і протозойних інфекцій, а також до інфекцій, спричинюваних внутрішньоклітинними бактеріями (теж унаслідок порушення Т-клітинного імунітету). Функція В-лімфоцитів та сироваткових імуноглобулінів зазвичай не змінена. Ця патологія є наслідком вади розвитку 3-ї та 4-ї глот кових кишень - структур, з яких формуються тимус, прищитоподібні залози, частина обличчя й дуга аорти. Отже, окрім дефектів тимуса і Т-клітин можливі гіпопла зія прищитоподібних залоз, що призводить до гіпокальціємічної тетанії, а також вади розвитку середньої лінії. У 90 % випадків синдрому Ді Джорджі наявна делеція регіону хромосоми 22^11 (глава 7). Трансплантація тка нини тимуса була успішною для лікування деяких дітей із цією патологією. У пацієнтів із частковими вадами імунітет може підвищитися спонтанно з віком. Гіпер-І§М синдром Це захворювання характеризується нормальним (або навіть вищим за норму) рівнем І§М на тлі недостатнього продукування І§С, І§А та І§Е; в основі патології лежить неспроможність актива ції В-клітин Т-клітинами. Як зазначено вище, для здійснення багатьох функцій СИ4+ Т-хелперів необ хідне залучення С 040 на В-лімфоцитах і макрофагах, а також дендритних клітинах за допомогою СП401. (також відомі як СВ154), які експресуються на антиген-активованих Т-лімфоцитах. Ця взаємодія зумовлює зміну класу імуноглобулінів та дозрівання афінності у В-лімфоцитах, а також стимулює бактерицидну функцію макрофагів. Близько 70 % осіб із гіпер-І§М синдромом мають Х-зчеплену форму хвороби, спричи нену мутаціями гена, який кодує С040І_ і розміщений на Хц26. В інших пацієнтів хвороба успадковується за аутосомно-рецесивним типом і спричинюється мутаці ями із втратою функції або СБ40, або ферменту, який називають індуковано-активовпною цитидиндезаміназою (англ. асітаііоп-іпйисей суіійіпе (іеатіпазе - АГО); це ДНКредагувальний фермент, необхідний для зміни класу імуноглобулінів та дозрівання афінності. Клінічною ознакою є рекурентні гнійні інфекції вна слідок низького рівня опсонізувальних І§С. Пацієнти із мутацією СІ_)40Ь також схильні до пневмонії, спричи нюваної внутрішньоклітинним збудником Рпеитосузііз ]ігоі’Єсі, через те що СП40Г-опосередкована активація макрофагів - ключова реакція клітинного імуніте ту - порушена. Час від часу антитіла І§М реагують із клітинами крові, призводячи до гемолітичної анемії, тромбоцитопенії та нейтропенії. У пацієнтів похилого віку можлива проліферація І§М-продукувальних плазмоцитів, які інфільтрують слизову оболонку травного тракту. Варіабельний некласиф ікований імунодеф іцит Це відносно поширене, але нечітко визначене поняття охоплює гетерогенну групу захворювань, спільною ознакою яких с гіпогаммаглобулінемія, при якій зазвичай залучені всі класи антитіл, але іноді - лише І§С. Діагностика варіабельного некласифікованого іму нодефіциту Грунтується на виключенні інших причин недостатнього продукування антитіл. Захворюваність становить приблизно 1 випадок на 50 тис. населення. Хоча більшість пацієнтів мають нормальний рівень зрілих В-лімфоцитів, плазмоцити відсутні, що дає під ставу припустити блокування процесу диференціації В-лімфоцитів. На підтримку цієї гіпотези свідчить те, що В-клітинні ділянки в лімфоїдних тканинах (такі як лімфоїдні фолікули в лімфатичному вузлі, селезінці та кишках) зазвичай гіперплазовані. їх збільшення також може відображати неповну активацію, так що В-клітини можуть проліферувати у відповідь на анти генну активацію, але не диференціюються в антитілопродукувальні плазмоцити. Порушене продукування антитіл, за різними гіпотезами, приписують внутріш нім дефектам В-лімфоцитів, недостатній активності Т-хелперів або надмірній Т-супресорній активності. Парадоксально, але такі пацієнти схильні й до розви тку різноманітних аутоімунних захворювань (гемолі тичної анемії, перніціозної анемії), а також лімфоїдних пухлин. Варіабельний некласифікований імунодефі цит може бути спадковим або набутим. Виявлено різні генетичні причини, серед них мутації рецептора до ВАРР-цитокіну, що індукує виживання та диференці ацію В-лімфоцитів; молекули під назвою ІС 05 (індуцибельний костимулятор) - гомолог С 028, який впливає на функцію Т-хелперних фолікулярних клітин, але у більшості випадків генетичне підґрунтя невідоме. У пацієнтів зазвичай розвиваються рекурентні бак теріальні інфекції легень і приносових пазух. Близько 20 % пацієнтів мають рекурентні прояви герпесвірусної інфекції, а також можливі тяжкі ентеровірусні інфекції, які призводять до менінгоенцефаліту. Окрім того, вони схильні до розвитку персистентної діареї, спричиненої С. ІатЬІіа. На відміну від Х-зчепленої агаммаглобулін емії варіабельний некласифікований імунодефіцит уражує осіб обох статей з однаковою частотою, а мані фестація симптомів припадає на дитячий або підліт ковий вік. Як і при Х-зчепленій агаммаглобулінемії, у таких пацієнтів висока частота аутоімунних захворю вань (близько 20 %), зокрема ревматоїдного артриту; Синдроми імунодефіциту підвищений ризик розвитку злоякісних пухлин лімфощної тканини; за даними останніх досліджень, зростає частота раку шлунка. Ізольований деф іцит І§А Це найпоширеніший первинний імунодефіцит, який трапляється із частотою 1 випадок на 700 світло шкірого населення. Як зазначено вище, І§А - основ ний імуноглобулін слизових секретів, отже, він бере участь у захисті дихальних шляхів і травного тракту. Ослаблений захист слизових оболонок унаслідок дефіциту І§А підвищує ризик рекурентних синопульмональних інфекцій та діареї. Існує також виражений (але непояснений) зв'язок з аутоімунними захворю ваннями. Схоже на те, що патогенез дефіциту І§А включає блокування термінальної диференціації І§Апродукувальних В-лімфоцитів до плазмоцитів; титр І§М та І§С нормальний або навіть вищий за норму. Молекулярна основа цієї патології є незрозумілою. Ін ш і поруш ення а к т и в а ц ії лімф оцит ів Описано багато рідкісних випадків патологічної акти вації лімфоцитів, при яких порушується сигналізація антигенних рецепторів та різноманітних біохімічних каскадів. Порушення ТЬІ-відповіді пов'язані з атипо вими мікобактеріальними інфекціями, а порушення ТЬ17-відповіді є причиною хронічного кандидозу шкіри та слизових оболонок, а також бактеріальних інфекцій шкіри (патологія, що отримала назву синдром Джоба). ходи (атаксія), судинними мальформаціями (телеангіектазії), неврологічними розладами, підвищеною частотою виникнення пухлин та імунодефіцитом. Імунні розлади мають різні ступені тяжкості й можуть уражувати як В-, так і Т-лімфоцити. Найбільше вира женим порушенням гуморального імунітету є недо статнє продукування ізотипово-переключених анти тіл, переважно І§А та І§02. Т-клітинні порушення зазвичай менше виражені і можуть бути асоційовані із гіпоплазією тимуса. Пацієнти хворіють на бактері альні інфекції верхніх та нижніх дихальних шляхів, множинні аутоімунні феномени; з віком підвищуєть ся частота онкологічних захворювань (зокрема лімфощних пухлин). Ген, асоційований із цим захворю ванням, кодує протеїн під назвою АТМ (англ. аіахіа іеіап^іесіазіа тиШесГ) - сенсор ушкодження ДНК, який активує «контрольні точки» клітинного циклу й апоптоз у клітинах з ушкодженою ДНК. Дефіцит АТМ також призводить до порушення антигенної рекомбінації генів (і внаслідок цього - до дефекту утворення антигенних рецепторів) із порушенням переключення ізотипу антитіл. Порушення природженого імунітету Спадкові порушення ранньої природженої імунної від повіді зазвичай зумовлені дефектом функції лейкоцитів або системи комплементу і призводять до підвищеної схильності до інфекцій (табл. 5.13). Деякі дефекти із визначеною молекулярною основою підсумовані нижче. Імунодефіцит и, асоційовані із сист емними захворю ванням и При деяких спадкових системних захворюваннях іму нодефіцит є провідною клінічною проблемою. Два показових приклади таких хвороб описано нижче. • Синдром В іскот т а-О л др іч а - Х-зчеплене захво рювання, що характеризується тромбоцитопенією, екземою та вираженою схильністю до рекурентних інфекцій, які призводять до смерті в ранньому віці. Зміни тимуса незначні, принаймні на почат ку захворювання, але спостерігається прогресив не зменшення кількості Т-лімфоцитів у крові й Т-клітинних зонах (паракортикальних ділянках) лімфатичних вузлів, що супроводжується різнома нітними дефектами клітинного імунітету. Організм пацієнтів не виробляє антитіла до полісахаридних антигенів, імунна відповідь на білкові антигени також недостатня. Рівень І§М у сироватці крові низький, але рівень І§С зазвичай нормальний і, що парадоксально, рівні І§А та І§Е часто підвищені. Синдром спричинений мутаціями у Х-зчепленому гені, який кодує протеїн синдрому Віскотта-Олдріча (англ. РУізкоіі-АІсігіск зупсіготе ргоіеіп - МА5Р). ША8Р належить до сімейства сигнальних протеїнів, що зв'язують мембранні рецептори (зокрема антигенні рецептори) із компонентами цитоскелета. Цей про теїн бере участь у цитоскелет-залежних реакціях, серед яких міграція клітин і трансдукція сигналу, але яким чином він причетний до функцій лімфо цитів і тромбоцитів - незрозуміло. Єдиним методом лікування є трансплантація гемопоетичних стовбу рових клітин. • А т аксія-т елеагіект азія аутосомно-рецесивне захворювання, що характеризується порушенням Т аблиця 5.13. Типові спадкові імунодефіцити, спричинені дефектами функції лейкоцитів та системи комплементу Патологія Д еф ект Д еф е кт и ф ун кц ії лейкоцитів Дефект адгезії лейкоцитів-1 Дефект адгезії лейкоцитів через мутації у р-ланцюзі інтегринів С011/СР18 Дефект адгезії лейкоцитів-2 Дефект адгезії лейкоцитів через мутації фукозилтрансферази, необхідної для синтезу сіальованого олігосахариду (рецептор для селектинів) Синдром ЧедіакаГігаші Зниження функції лейкоцитів унаслідок мутацій, що впливають на протеїн, який бере участь у формуванні лізосомальних гранул Хронічна гранульоматозна хвороба Недостатній окисний «вибух» Х-зчеплена Мембранний компонент фагоцитарної оксидази Аутосомно-рецесивна Цитоплазматичні компоненти фагоцитарної оксидази Дефіцит мієлопероксидази Ослаблення мікробного кілінгу через дефект у системі М Р 0 -Н 20 2 Д еф е кт и системи комплементу Дефіцит С2, С4 Недостатня активація класичного шляху; зу мовлює зниження резистентності до інфекції та зменшення кліренсу імунних комплексів Дефіцит СЗ Порушення всіх функції системи комплементу Дефіцит регуля торних білків Надмірна активація системи комплементу; клі нічні синдроми включають ангіоедему, пароксизмальну гемоглобінурію та інші прояви Частково змінено ].І. СаІІіп: йізогсіегз о ( рНа^осуііс сеііз. Іп СаІІіп }!, еґ аі, едіїогз: ІпЯаттаІіоп: Ьазіс ргіпсіріез апсі сііпісаі соггеїаіез, есі 2, №\м Уогк, 1992, Яауеп Ргезз, рр 860 -8 6 1 . 177 ГЛАВА 5 Захворювання імунної системи Д еф ект и ф ун кц ії лейкоцит ів • Н едост ат ня адгезія лейкоцит ів (ІЛІУ) виникає вна слідок успадкованого дефекту адгезивних молекул, що перешкоджає міграції лейкоцитів у вогнище інфекції і призводить до розвитку рекурентних бак теріальних інфекцій. Недостатня адгезія лейкоцитів 1-го типу (ЬАОІ) спричинена дефектом (3,-ланцюга, спільного для інтегринів ЬРА-1 та Мас-1, а недостат ня адгезія лейкоцитів 2-го типу (ЬА02) - дефектом фукозилтрансферзи, необхідної для синтезу нор мального антигену зіаІуІ-Ьешіз X, ліганда для Е- і Р-селектинів. • Х ронічна гран у льом ат озн а х в о р о б а виникає вна слідок спадкових дефектів у генах, що кодують компоненти фагоцитарної оксидази - фаголізосомального ферменту, який генерує активні форми кисню, такі як супероксид (О*), що призводить до порушення кілінгу бактерій та схильності до реку рентних бактеріальних інфекцій. Назва цієї хвороби походить від хронічної запальної макрофагальної реакції, яка розвивається у вогнищі інфекції, якщо первинний нейтрофільний захист неадекватний. Такі скупчення активованих макрофагів формують гранульоми для відмежування мікроорганізмів. • Синдром Ч едіака-Г ігаги і характеризується пору шенням процесу злиття фагосом та лізосом, що при зводить до порушення функції фагоцитів і схиль ності до інфекцій. Основними проявами патології лейкоцитів є нейтропенія, дефект дегрануляції та сповільнений мікробний кілінг. Уражені лейкоцити містять гігантські гранули, які видно у мазках пери феричної крові. Вважають, що ці гранули є наслід ком аберантного злиття фаголізосом. Окрім того, характерні аномалії меланоцитів (що проявляється альбінізмом), клітин нервової системи (призводить до неврологічних дефектів) і тромбоцитів (вини кають патологічні кровотечі). Ген, асоційований із цим захворюванням, кодує великий цитозольний протеїн під назвою ЬУБТ, який, імовірно, регулює функцію лізосом. • Д еф ект и ТЬК рідкісні, але наочні. Мутації ТЬКЗ рецептора РНК вірусу - призводять до рекурент ного енцефаліту, спричиненого вірусом простого герпесу, а мутації МУ О88 - протеїну-адаптора, необхідного для низхідної сигналізації багатьох ТЬК, - до деструктивних бактеріальних пневмоній. Д еф ект и системи комплементу • Описано різні варіанти недостатньої активнос ті кількох ком п он ен т ів системи ком плем ент у, серед яких дефіцит С2 найпоширеніший. Дефіцит С2 або С4, ранніх компонентів класичного шляху активації, асоційований із підвищенням частоти бактеріальних або вірусних інфекцій; проте у багатьох пацієнтів вони мають безсимптомний перебіг, імовірно тому, що альтернативний шлях активації системи комплементу може контролю вати більшість інфекцій. Як не дивно, у деяких пацієнтів із дефіцитом С2, С4 або С І ц основним проявом є СЧВ-подібне аутоімунне захворювання, можливо, унаслідок того, що ці фактори беруть участь у кліренсі імунних комплексів. Дефіцит СЗ є доволі рідкісним й асоціюється із тяжкими гнійними інфекціями, а також імунокомплексним гломерулонефритом. Дефіцит пізніх компонентів (С5-С9) призводить до підвищеної схильності до рекурентних інфекцій, спричинених нейсеріями (збудниками гонореї та менінгококової інфекції), так як бактерії роду Ивізвегіа мають тонку клітинну оболонку й особливо чутливі до літичної дії систе ми комплементу. Дефекти регулят орних б іл к ів системи ком плем ен ту призводять до надмірного запалення або ушко дження клітин. Дефіцит інгібітори СІ (СІ ШН) є патогенетичною основою аутосомно-домінантного захворювання, яке отримало назву спадкова ангіоедема. С І ШН - інгібітор багатьох протеаз, серед яких калікреїн та фактор XII, що беруть участь у синтезі вазоактивних пептидів, зокрема брадикініну. Отже, недостатня активність СІ ШН призво дить до надмірного синтезу брадикініну - потуж ного вазодилататора. Такі пацієнти мають епізоди набряку шкіри та слизових оболонок, у тому числі травного тракту. Набутий дефіцит інших регуля торних білків системи комплементу слугує причи ною пароксизмальної нічної гемоглобінурії (глава 12), а деякі випадки гемолітико-уремічного синдрому (глава 14) є наслідком природженого дефіциту цих білків. ПЕРВИННІ (СПАДКОВІ) ІМ УНОДЕФІЦИТИ Ці хвороби спричинені спадковими мутаціями в генах, що беруть участь у дозріванні лімфоцитів та їх функціонуванні, або в генах, що контролюють природжений імунітет. Найпоширенішими хворобами, при яких уражуються лімфо цити й адаптивна імунна відповідь, є: * Х-зчеплений ТКІД: порушення дозрівання Т- і В-клітин; му тація спільного у-ланцюга цитокінових рецепторів, що призводить до недостатньої активності сигнального шляху И-7 та патологічного лімфопоезу. * Аутосомно-рецесивний ТКІД: порушення розвитку Т-клітин; вторинний дефект гуморальної відповіді; приблизно 50 % випадків спричинені мутацією гена, який кодує аденозиндезаміназу, що призводить до акумуляції токсичних мета болітів під час проліферації та дозрівання лімфоцитів. * Х-зчеплена агаммаглобулінемія: порушення дозрівання В-клітин, відсутність антитіл; причина - мутація гена ВТК, який кодує В-клітинну тирозинкіназу, необхідну для дозрі вання рецепторів пре-В-лімфоцитів та В-лімфоцитів. * Синдром Д і Д ж орд ж і: недостатній розвиток тимуса, дефі цит Т-лімфоцитів. * Х-зчеплений гіпер-І§М синдром: нездатність продукувати ізотипово-переключені високоафінні антитіла (І§С, І§А, І§Е); мутації у генах, що кодують С040І. або індукують актива цію цитидиндезамінази. * Варіабельний некласифікований імунодефіцит: порушення синтезу антитіл; у більшості випадків причина невідома. * Селективна недостатність І§А: порушення синтезу І§А; причина невідома. Патології природженого імунітету включають дефекти функ ціонування лейкоцитів, системи комплементу та рецепторів природженого імунітету. Ці хвороби клінічно проявляються підвищеною схильністю до інфекційних захворювань із перших років життя. Синдром набутого імунодефіциту Вторинні (набуті) імунодефіцити Вторинні (набуті) імунодефіцити можуть розвиватися при онкологічних захворюваннях, цукровому діабеті та інших метаболічних розладах, нераціональному харчуванні, хронічних інфекціях, а також у пацієнтів із пухлинами, які отримують хіміотерапію та променеву терапію, або внаслідок застосування імуносупресивних препаратів для запобігання відторгненню транспланта та чи лікування аутоімунних захворювань (табл. 5.14). Група вторинних імунодефіцитів більш поширена, ніж первинних. Нижче розглянутий, мабуть, найваж ливіший вторинний імунодефіцит - СНІД, який став одним із найбільших лих людства. СИНДРОМ НАБУТОГО ІМУНОДЕФІЦИТУ СНІД - захворювання, спричинюване ретровірусом вірусом імунодефіциту людини, яке характеризу ється вираженою імуносупресіею, що призводить до розвитку опортуністичних інфекцій, вторинних неоплазій та неврологічних розладів. Хоча СНІД як окреме захворювання уперше був виділений доволі нещодавно - у 1980-х роках, він став одним із найбільш руйнівних лих в історії людства. За приблизною оцін кою, у світі 36 млн ВІЛ-інфікованих осіб, із них майже 70 % - в Африці та 20 % - в Азії. Понад 25 млн випадків смерті пов'язані із ВІЛ-інфекцією/СНІДом, що стано вить від 1 до 2 млн смертей щороку. Хоча нині розро блено ефективну антиретровірусну терапію, інфек ція продовжує поширюватись у частинах світу, де ці препарати не є широкодоступними. У деяких краї нах Африки понад ЗО % населення - ВІЛ-інфіковані. Незважаючи на значний прогрес у медикаментозній терапії СНІДу, повне вилікування пацієнтів усе ще є віддаленою метою. Поява цих препаратів також дає привід для занепокоїння через те, що все більше паці єнтів живуть із ВІЛ і зростає ризик поширення інфекції в разі ослаблення пильності. Надзвичайний медичний та соціальний тягар СНІДу призвів до значного збільшення кількості дослі джень, спрямованих на вивчення цієї чуми сучасності та її неймовірної здатності ушкоджувати захисні меха нізми організму. Літератури про ВІЛ-інфекцію і СНІД дуже багато. Тут ми підсумуємо дані щодо епідеміолоТаблиця 5.14. Причини вторинних (набутих) імунодефіцитів Причина Механізм ВІА-інфекція Зменшення кількості СР4+ Т-лімфоцитів (Т-хелперів) Опромінення та хіміотерапія для лікування онкологічних захворювань Зниження рівня попередників лейко цитів у кістковому мозку Ураження кісткового мозку внаслідок онкологічних захво рювань (метастази, лейкемія) Недостатнє утворення лейкоцитів унаслідок витіснення попередників Нераціональне харчування (не достатня кількість білків, низька калорійність) Пригнічене дозрівання та функціо нування лімфоцитів унаслідок мета болічних розладів Спленектомія Знижений фагоцитоз мікроорганізмів гії, патогенезу та клінічних проявів ВІЛ-інфекції, наяв них на сьогодні. Епідеміологія Результати епідеміологічних досліджень у США визна чили п'ять груп дорослих із підвищеним ризиком роз витку СНІДу. • Гомосексуальні або бісексуальні чоловіки станов лять найбільшу групу - близько 50 % офіційно зареєстрованих випадків, у цій групі також при близно 5 % осіб, які вживають ін'єкційні наркотичні препарати. • Гетеросексуальні контакти представників інших груп із підвищеним ризиком становили близько 20 % інфікованих із 2001 по 2004 рр. В Африці та Азії це найбільша група вперше виявлених інфі кованих, більшість із них - жінки, інфіковані від партнерів-чоловіків. • Споживачі ін'єкційних наркотиків без гомосексу альної орієнтації в анамнезі становили близько 20 % інфікованих та 9 % уперше виявлених у 2009 р. • Пацієнти з гемофілією, які вижили - особливо ті, які отримували велику кількість концентратів факто ру VIII або фактору IX до 1985 р., становлять близь ко 0,5% усіх випадків. • Інші реципієнти ВІЛ-інфікованої цільної крові або її компонентів (наприклад, тромбоцитів, плазми) становлять приблизно 1 %. Близько 2 % усіх випадків СНІДу виявляють серед новонароджених. Переважна кількість таких дітей інфікується шляхом передачі вірусу від матері до дити ни (див. далі). Приблизно у 5 % випадків фактори ризику не виявляють. Із попереднього обговорення очевидно, що переда ча ВІЛ відбувається за умов, що передбачають обмін кров'ю або біологічними рідинами, які містять вірус чи клітини, інфіковані вірусом. Три найголовніші шляхи передачі - це сексуальний контакт, паренте ральна інокуляція та передача вірусу від інфікованої матері до дитини. • П ередача ст ат евим шляхом - найпоширеніший спосіб інфікування в усьому світі (понад 75 % усіх випадків передачі ВІЛ). Через те що більшість інфі кованих осіб у США становлять чоловіки, які мають статеві зносини із чоловіками, цей шлях передачі переважно властивий для чоловіків-гомосексуалістів. Вірус міститься у спермі, яка проникає в орга нізм реципієнта крізь тріщини слизової оболонки прямої кишки чи ротової порожнини або внаслідок прямого контакту клітин, що вистилають слизові оболонки. Передача вірусу відбувається двома шля хами: (1) у результаті прямої інокуляції в кровоносні судини через травматизацію їхніх стінок та (2) уна слідок інфікування дендритних клітин або С04+ лімфоцитів у слизових оболонках. Передача ВІЛ статевим шляхом посилюється за наявності супут ніх захворювань, що передаються статевим шляхом, особливо тих, які супроводжуються виразкуванням слизової оболонки. • П арент еральна передача ВІЛ відбувається у спо живачів ін'єкційних наркотиків, пацієнтів із гемо 179 ГЛАВА 5 Захворювання імунної системи філією, які отримували заражені концентрати факторів VIII та IX, й інших реципієнтів заражених препаратів крові. Нині у США цей шлях інфікуван ня часто трапляється лише у споживачів ін'єкційних наркотиків. Зараження відбувається через спільні голки, шприці та інші атрибути, забруднені ВІЛінфікованою кров'ю. Інфікування ВІЛ унаслідок переливання крові або її препаратів, зокрема ліофілізованих концентратів факторів VIII та IX, майже еліміноване завдяки заходам громадського здоров'я, серед яких скринінг донорської крові й шіазми на антитіла до ВІЛ, жорсткі критерії приготування факторів VIII та IX і скринінг донорів на основі анамнезу. Надзвичайно низький ризик розвитку ВІЛ-інфекції при переливанні серонегативної крові залишається, оскільки в крові нещодавно інфікова ної особи може не бути антитіл. Наразі такий ризик оцінений як 1 випадок на більше ніж 2 млн одиниць перелитої крові. • Як згадувалося вище, передача в ід м ат ер і д о дити ни - основна причина СНІДу в дітей. Матері із ВІЛпозитивним статусом можуть передати інфекцію своїм дітям трьома шляхами: (1) внутрішньоутробно, тобто трансплацентарним шляхом; (2) під час пологів через інфікований родовий канал; (3) після пологів через грудне молоко. Із вищеперерахованих шляхів передачу під час пологів (іпігарагішп) й одразу після пологів (регірагйіт) вважають най частішою у США. За даними статистики, рівні зараження варіюють від 1 до 49 % у різних частинах світу. Вищий ризик зараження пов'язаний із висо кою концентрацією вірусу в материнській крові та малою кількістю С 04+ Т-лімфоцитів, а також із хоріоамніонітом. На щастя, антиретровірусна тера пія, яку отримують вагітні у США, майже еліміну вала передачу від матері до дитини, але цей шлях зараження залишається одним з основних у країнах, де така терапія недоступна. Багато питань виникає у широких мас населення і в працівників охорони здоров'я щодо поширення ВІЛ-інфекції серед осіб, які не входять у групи підви щеного ризику. Результати екстенсивних досліджень показують, що ВІЛ-інфекція не може передаватися через побутовий контакт удома, на робочому місці або у школі. Передача через укуси комах також майже неможлива. Для медичних працівників ризик передачі ВІЛ-інфекції дуже низький, але можливий. Доведений ризик сероконверсії після випадкових проколів голкою або контакту ушкодженої шкіри з інфікованою кров'ю при необережній роботі в лабораторії. Вважають, що після випадкового проколу голкою ризик серокон версії становить близько 0,3 %, і застосування антиретровірусної терапії впродовж 24-48 год після про колу може значно знизити цей ризик. Для порівняння: ризик серопозитивності при випадковому контакті із кров'ю, інфікованою вірусом гепатиту В, становить приблизно ЗО %. мавп, вісна вірус овець, вірус бичачого імунодефіциту та вірус інфекційної анемії у коней. Було виділено дві генетично відмінні, але спорідне ні форми вірусу: ВІЛ-1 та ВІЛ-2. ВІЛ-1 - найбільш поши рена причина СНІДу в США, Європі та Центральній Африці, тоді як ВІЛ-2 зумовлює подібне захворювання переважно у Західній Африці та Індії. Подальше обго ворення стосується насамперед ВІЛ-1, але цю інформа цію можна застосовувати і для ВІЛ-2. Будова ВІЛ Подібно більшості ретровірусів, віріон ВІЛ-1 має сфе ричну форму і містить електронно-щільний конусо подібний капсид, оточений ліпідним шаром, який утворений із мембрани клітини-хазяїна (рис. 5.37). До складу капсиду ВІЛ-1 входять: (1) головний протеїн капсиду р24; (2) протеїн нуклеокапсиду р7/р9; (3) дві копії РНК-геному вірусу; (4) три вірусні ферменти (протеаза, зворотна транскриптаза й інтеграза). Найчисленнішим вірусним антигеном є р24, саме його виявляють під час широко доступного тесту на ВІЛ-інфекцію. Капсид оточений матриксним білком р17, який лежить під оболонкою віріона. Оболонка віріона оточена двома вірусними глікопротещами %р120 та £р4І, що відіграють ключову роль в інфікуван ні клітин. РНК-геном ВІЛ-1 містить гени §а§, рої та епу, які є типовими для ретровірусів. Продукти генів §а% та рої великі білки-попередники, які розщеплюються вірус ною протеазою з метою отримання кінцевих білків. Окрім цих трьох стандартних генів ВІЛ містить кілька додаткових генів, серед яких Ш, геу, уі/, пе/, ург та ури, що регулюють синтез і збирання інфекційних вірусних часточок, а отже, патогенність вірусу. Молекулярний аналіз різних ізолятів ВІЛ-1 виявив значну варіабельність певних частин його геному, переважно послідовностей, які кодують певні ділянки глікопротеїдів оболонки віріона. Через те що антиті ла до ВІЛ-1 спрямовані проти оболонки віріона, така др41 Матриксний білок р17 д р і 20 Капсид Ліпідний подвійний шар Інтеграза Протеаза Зворотна транскриптаза Властивості ВІЛ ВІЛ - нетрансформівний ретровірус людини, який належить до роду Ьепііуігиз. У ц ю групу входять також вірус імунодефіциту кішок, вірус імунодефіциту Рис 5 37 стр у кту р а віріона В ІЛ-1. Вірусна часточка вкрита ліпідним подвійним шаром, отриманим від клітини-хазяїна, і шипована вірусними глікопротеїдами §р41 і §р120 Синдром набутого імунодефіциту варіабельність утруднює розроблення єдиної анти генної вакцини. На основі генетичної варіабельності ВІЛ-1 можна розділити на три підгрупи, а саме М (англ. т арг - основна), О (англ. оиіііег - несхожа) та N (ні М, ні О). Віруси групи М - найпоширеніші у світі; їх поділять на кілька субтипів, або класів, які позначають англій ськими літерами від А до К. Ці підтипи різняться за гео графічним поширенням; наприклад, субтип В - най поширеніша форма у Західній Європі та США, тоді як субтип Е - у Таїланді. Наразі субтип Є має найбільшу швидкість поширення в усьому світі, його виділяють в Індії, Ефіопії та Південній Африці. ня функції Т-хелперів, що вижили, та інших імунних клітин. Спочатку ми охарактеризуємо механізми про никнення вірусу в Т-лімфоцити й макрофаги, а також цикл реплікації вірусу всередині клітини. Надалі більш детально розглянемо взаємодію ВІЛ і клітин-мішеней. Ж и т т є в и й цикл ВІЛ Життєвий цикл ВІЛ складається з інфікування клі тин, інтеграції провірусу в геном клітини-хазяїна, активації реплікації вірусу та продукування і вивіль нення нових віріонів (рис. 5.38). Молекулярні механіз ми кожної із цих стадій досить детально вивчені. Патогенез ВІЛ-інфекції та СНІДу Проникнення ВІЛ у клітину Хоча ВІЛ може інфікувати багато тканин, основними його мішенями є імунна система і ЦНС. Вплив ВІЛ на кожну із цих систем розглядається окремо. Відмітна ознака СНІДу - виражений імуноде фіцит, який уражує насамперед клітинну ланку імунітету. Результатом є розвиток інфекції та прогре сивна загибель С 04+ Т-лімфоцитів, а також порушен ВІЛ проникає у клітини, використовуючи молекулу С 0 4 як рецептор, а різні хемокінові рецептори - як корецептори (див. рис. 5.38). Зв'язування вірусного §р120 із С 04 необхідне для проникнення і пояснює тропність вірусу до С 04+ Т-лімфоцитів, С 04+ моноци тів/макрофагів і дендритних клітин. Проте зв'язування із С 04 не є достатнім для інфікування, оскільки для проникнення в клітину вірусний §р120 має також ВІРУС Зв'язування Зв'язування С 0 4 ізд р 1 20 Конформаційні зміни др120,СР4з ССВ-5 Проникнення др41 в мембрану Злиття з мембраною Злиття мембрани ВІЛ з мембраною клітини; проникнення геному ВІЛ у цитоплазму ПРОНИКНЕННЯ ВІРУСУ Цитокін Цитокіновии рецептор СР4 Хемокіновий рецептор РНК-геном ВІЛ Синтез ДНК провірусу, опосередкований зворотною транскриптазою в Активація клітиних і РЕПЛІКАЦІЯ ВІРУСІВ Інтеграція провірусу в геном клітини-хазяїна Синтез протеїнів ВІЛ; збирання основної структури віріона Основна структура ВІЛ ВИВІЛЬНЕННЯ ВІРУСУ =т р а н с к р и п т і ^ ^ ^ ^ ^ Ч /Ч /Ч цитокінів; транскрип ція геному ВІЛ; транспорт РНК вірусу до цитоплазми V Провірусна ДНК ВІЛ Новии віріон ВІЛ Пупкування та вивільнення зрілого віріона Рис. 5.38. Ж иттєвий цикл ВІЛ. Показано стадії від потрапляння вірусу в клітину до продукування інфекційних віріонів. (Адаптовано за 5. \Л/а/п- НоЬзоп: НІУ. Опє оп опє тееіз Іт , ІМаїиге 384:117, 1996.) 181 182 ГЛАВА 5 Захворювання імунної системи зв'язатися з іншими поверхневими молекулами (корецепторами) клітини. Цю роль виконують хемокінові рецептори, а саме ССК5 і СХСК4. Ізоляти ВІЛ можна розрізняти за тим, як вони використовують ці корецептори: штами К5 використовують ССК5, штами Х4 - СХСК4, а деякі штами (К5Х4) мають подвійний тропізм. Штами К5 переважно інфікують клітини моноцитарного/макрофагальнго раду, тому їх назива ють М-тропними, тоді як пггами Х4 - Т-тропні, так як переважно інфікують Т-лімфоцити, але ці відмінності не є абсолютними. Поліморфізм гена, який кодує ССК5, пов'язаний зі зміною сприйнятливості до ВІЛ-інфекції. Близько 1 % світлошкірих американців успадковують дві мутовані копії гена ССК5 і є резистентними до штамів К5 ВІЛ. Приблизно 20 % осіб - гетерозиготи за цим захисним алелем; вони не захищені від СНІДу, але початок захво рювання після інфікування відтермінований. Лише рідкісні випадки гомозигот за цією мутацією були знай дені в африканських та східноазіатських популяціях. На сьогодні детально досліджені молекулярні меха нізми «смертельного потиску рук» між глікопротеїДами ВІЛ і поверхневими рецепторами клітин. Оболонка віріона містить два нековалентно зв'язаних глікопро теїди - поверхневий §р120 і трансмембранний про теїн §р41. Перший крок інфікування - це зв'язування §р120 із молекулами С 04, що призводить до конформаційних змін; у такий спосіб на §р!20 утворюється новий локус розпізнавання для корецепторів С.СК5 або СХСК4. Зв'язування із корецепторами індукує зміну конформації §р41, унаслідок якої оголюється гідро фобна ділянка - пептид злиття - на кінці молекули §р41. Цей пептид входить у плазматичну мембрану клітин-мішеней (наприклад, Т-клітин або макрофа гів), забезпечуючи злиття вірусу із клітиною-хазяїном. Після такого злиття капсид, що містить геном вірусу, проникає у цитоплазму інфікованої клітини. Реплікація вірусу Одразу після інтерналізації РНК вірусу зазнає зворот ної транскрипції, у результаті чого синтезується дволанцюгова комплементарна ДНК (кДНК, або провірусна ДНК; див. рис. 5.38). У неактивованих Т-лімфоцитах кДНК циркулює, проникає в адро і потім інтегрується у геном клітини-хазяїна. Після інтеграції провірус може залишатись у дрімливому стані місяцями чи роками у формі латентної інфекції. Або ж, як альтер натива, кДНК може зазнати транскрипції, що призведе до експресії білків, необхідних для формування вірус них часточок. ВІЛ інфікує клітини пам'яті й активовані Т-лімфоцити, але не є ефективним в інфікуванні наїв них Т-лімфоцитів. Завершення життєвого циклу вірусу в латентно інфікованих клітинах відбувається лише після їх активації; унаслідок цього активується вірус, що призводить до загибелі інфікованих С 04+ Т-лімфоцитів. Активація Т-лімфоцитів антигенами або цитокінами стимулює певні фактори транскрипції, зокрема ІМГ-кВ, який переміщується із цитозолю в адро. В ядрі він зв'язується з регуляторними послідовностя ми у певних генах, серед яких - гени цитокінів та інших медіаторів імунної відповіді, активуючи їх транс крипцію. Послідовності довгих кінцевих повторів, які з боків обмежують геном вірусу, також мають місця для зв'язування КР-кВ, тому прикріплення фактору транскрипції активує експресію генів вірусу. Уявіть латентно інфіковану СС4+ Т-клітину, яка зустрічаєть ся з антигеном із навколишнього середовища. Індукція NР-кВ у такій клітині (фізіологічна відповідь) активує транскрипцію провірусної ДНК ВІЛ (патологічний наслідок) і призводить до продукування віріонів та загибелі клітини. Більше того, ТИР та інші цитокіни, що синтезуються активованими макрофагами, також стимулюють активність і\ГР-кВ і, таким чином, зумов люють продукування РНК вірусу. Отже, здається, що ВІЛ «процвітає» тоді, коли Т-лімфоцити та макрофаги організму фізіологічно активні; цю ситуацію можна описати як «диверсію зсередини». Така активація іп і’ігю може бути наслідком антигенної стимуляції самим ВІЛ або іншими інфекційними агентами. ВІЛ-позитивні особи мають підвищений ризик рекурентних інфек цій, що спричинює надмірну активацію лімфоцитів і синтез прозапальних цитокінів. Своєю чергою вони ще більше ініціюють продукування ВІЛ, загибель додат кових С 04+ Т-лімфоцитів і нове посилення проявів інфекції. Отже, легко зрозуміти, як ВІЛ-інфекція запус кає «порочне коло», кульмінацією якого є безжальне знищення імунної системи. Механізм деплеції (загибелі) Т-лімфоцитів при ВІЛ-інфекції Загибель СЮ4+ Т-лімфоцитів спричинена пере важно прямим цитопатичним впливом вірусу, що реплікуеться. В інфікованих осіб щодня продукується приблизно 100 млрд нових вірусних часточок і гине від 1 до 2 млрд СГ14+ Т-лімфоцитів. Загибель цих клітин основна причина невблаганного і з часом критичного зменшення їх кількості. До певного ступеня імунна сис тема здатна замінити загиблі Т-клітини, але із прогре суванням захворювання поновлення популяції СБ4+ Т-лімфоцитів не може компенсувати їх втрату. До можливих механізмів, за допомогою яких вірус безпо середньо знищує інфіковані клітини, належать підви щена проникність плазматичної мембрани внаслідок розмноження вірусних часточок та порушення синтезу білків унаслідок вторгнення вірусних глікопротеїдів, що беруть участь у його реплікації. Окрім прямого знищення клітин вірусом є інші механізми, які можуть відігравати певну роль у загибе лі Т-лімфоцитів або порушенні їх функції. Серед них: • Хронічна активація неінфікованих клітин, які реа гують на ВІЛ або інші інфекційні агенти, поширені серед хворих на СНІД, що зумовлює апоптоз цих клітин. • Проникнення ВІЛ у клітини лімфощних органів (селезінка, лімфатичні вузли, мигдалики), що при зводить до прогресивного порушення архітектоні ки та клітинного складу лімфоїДної тканини. • Злиття інфікованих та неінфікованих клітин, що зумовлює формування синцитію (гігантських клі тин). у культурі тканин §р120, експресований на інфікованих клітинах, зв'язується з молекулами СБ4 на неінфікованих Т-лімфоцитах, після чого відбувається злиття клітин. Клітини, що злилися, зазвичай гинуть за кілька годин. • Якісні порушення функцій Т-лімфоцитів. Навіть у безсимптомних ВІЛ-інфікованих осіб було описано дефекти, серед яких: пригнічення антиген-інду- Синдром набутого імунодефіциту кованої проліферації Т-лімфоцитів, ослаблення ТН1-відповіді відносно ТЬ2-відповіді, порушення внутрішньоклітинної сигналізації та багато інших. Втрата ТЬІ-відповіді призводить до вираженого дефіциту клітинної ланки імунітету. На ранніх ета пах захворювання також відбувається селективна загибель підгрупи С 04+ Т-клітин пам'яті, що пояс нює мляву відповідь на антигени, з якими раніше зустрічалась імунна система. Слабковиражене хронічне або латентне інфіку вання Т-лімфоцитів - важлива характеристика ВІЛінфекції. Інтегрований провірус, без експресії генів вірусу (латентна інфекція), може персистувати у клі тинах протягом місяців або років. Навіть за потужної антивірусної терапії, яка майже стерилізує периферич ну кров, латентний вірус «ховається» у С 04+ клітинах (Т-лімфоцитах і макрофагах) лімфатичних вузлів. За підрахунками, 0,05 % СП4+ Т-клітин у лімфатичних вузлах є латентно інфікованими. Через те що більшість із них є Т-клітинами пам'яті, вони «довгожителі» (із тривалістю життя від місяців до років) і тому слугують постійним резервуаром вірусу. ВІЛ-інфікування імунних клітин не Т-лімфоцитарного ряду Окрім інфікування і загибелі С 04+ Т-лімфоцитів, важ ливу роль у патогенезі ВІЛ-інфекції відіграє є заражен ня макрофагів та дендритних клітин. Макрофаги Подібно до Т-лімфоцитів, більшість макрофагів, інфі кованих ВІЛ, локалізуються у тканинах. У певних тка нинах, таких як легені й головний мозок, від 10 до 50 % макрофагів є інфікованими. Хоча для потрапляння більшості ретровірусів у ядро та їх реплікації необхід ний поділ клітини, ВШ-1 може інфікувати термінально диференційовані макрофаги, які не діляться, і роз множуватись у них. Отже, ці клітини можуть містити велику кількість вірусних часточок, але вони доволі резистентні до цитопатичних ефектів ВІЛ, на відмі ну від С04+ Т-лімфоцитів. Таким чином, макрофаги можуть бути резервуарами інфекції, і в пізніх стадіях ВІЛ-інфекції, коли кількість С 04+ Т-лімфоцитів значно зменшується, саме макрофаги є важливим локусом для продовження реплікації вірусу. Дендритні клітини Дендритні клітини слизових оболонок можуть бути інфіковані вірусом і транспортувати його до регіонарних лімфатичних вузлів, де вірус передається СП4+ Т-лімфоцитам. Фолікулярні дендритні клітини у гер мінативних центрах лімфатичних вузлів також є потен ційними резервуарами ВІЛ. Хоча ці клітини можуть бути вразливими до ВІЛ-інфекції, більшість вірусних часточок виявляють на поверхні їхніх відростків. Функція В-лімфоцитів при ВІЛ-інфекції Хоча В-клітини не можуть бути інфіковані ВІЛ, у них теж виникають суттєві патологічні зміни. Як це не парадоксально, відбувається спонтанна В-клітинна активація і розвивається гіпергаммаглобулінемія, що асоціюється із нездатністю формувати імунну відпо відь на нові антигени. Порушення гуморальної реакції може бути наслідком недостатності Т-хелперної відпо віді, а також набутих дефектів В-лімфоцитів. Патогенез ураження центральної нервової системи Нервова система, як і лімфоїдна тканина, це - мішень для ВІЛ-інфекції. Макрофаги та мікроглія (клітини ЦНС, які мають макрофагальне походження) є пере важним типом клітин ЦНС, які інфікує ВІЛ. Вважають, що ВІЛ транспортується до головного мозку інфікова ними моноцитами. Підтвердженням слугує той факт, що ізоляти ВІЛ із головного мозку - майже виключно М-тропні. Однак механізм ВІЛ-індукованого ураження головного мозку залишається невідомим. Через те що нейрони не інфіковані, ступінь нейроструктурних змін часто нижчий, ніж того можна було б очікувати при клі нічній тяжкості неврологічної симптоматики, тому біль шість клініцистів вважають, що неврологічний дефіцит зумовлений опосередкованою дією вірусних продуктів і розчинних факторів, які продукуються інфікованою мікроглією (зокрема цитокіни ІЬ-1, Т № та ІЬ-6). п РЕЗЮМЕ ЖИТТЄВИМ ЦИКЛ ВІРУСУ ІМУНОДЕФІЦИТУ ЛЮ ДИНИ ТА ПАТОГЕНЕЗ СНІДу Проникнення вірусу в клітини: потребує наявності С 0 4 та корецепторів, які є рецепторами до хемокінів; відбувається шляхом зв’язування поверхневого §р 120 і злиття із клітиною, яке опосередковується трансмембранним протеїном §р41; основні клітини-міш ені: С Р 4 + Т-хелпери, макрофаги, ден д ритні клітини. Реплікація вірусу, інтеграція провірусного геному в Д Н К клі тини-хазяїна; експресія генів ВІЛ унаслідок дії чинника, який активує інфіковані клітини (наприклад, патогенні м ікроорга нізми, цитокіни, які продукуються при нормальній імунній відповіді). Прогресування інфекції: гостра інфекція Т-лімфоцитів і ден д р и тн и х клітин слизових оболонок; віремія із дисемінацією вірусу; латентне інфікування клітин лімфоїдної тканини; п о стійна реплікація вірусу та прогресивне зменшення кількості С 0 4 + Т-лімфоцитів. Механізми імунодефіциту: • зменшення кількості С 0 4 + Т-лімфоцитів: загибель під час реплікації вірусу (под ібно до інш их цитопатичних інфек цій); апоптоз як результат х р о н іч н о ї стимуляції; недостатнє продукування у тимусі; функціональні розлади; • поруш ення функції макрофагів і д е нд ри тних клітин; • руйнування архітектоніки лімфоїдної тканини (у пізній стадії). Виникнення і перебіг ВІЛ-інфекції Захворювання, спричинюване ВІЛ, починається із гострої інфекції, яка лише частково контролюється імунною відповіддю організму і прогресує до хро нічної інфекції периферичної лімфоїдної тканини (рис. 5.39, 5.40). • Г ост ра ф аза. Вірус зазвичай проникає через слизові оболонки, і гостра (рання) інфекція характеризується інфікуванням С 04+ Т-клітин пам'яті (які експресують ССК5) у лімфоїдній тканині слизових оболонок, а також загибеллю численних інфікованих клітин. Через те що слизо- 183 ГЛАВА 5 Захворювання імунної системи Інфікування слизових оболонок СР4+ Т-лімфоцит Загибель С04+ Т-лімфоцитів слизових оболонок Переміщення вірусу до лімфатичного вузла Інфікування лімфоїдної тканини, зокрема лімфатичних вузлів Поширення інфекції по організму Імунна відповідь Анти-ВІЛ антитіла ВІЛ-специфічні СТІ_ Частковий контроль реплікації вірусу Латентний клінічний період Хронічна фаза: концентрація вірусів у лімфоїдній тканині; низький рівень продукування вірусів Інші мікробні агенти; цитокіни Активація реплікації вірусу Деструкція лімфоїдної тканини: деплеція С04+ Т-лімфоцитів Рис. 5 .3 9 . П а т о г е н е з ін ф е к ц ії, с п р и ч и н е н о ї В ІЛ -1 . Ініціальний процес розпочинається зі слизових оболонок і включає інфікуван ня переважно С Р 4 + Т-клітин пам'яті й дендритних клітин, а потім поширюється на лімфатичні вузли. Вірусна реплікація призводить до віремії та поширення вірусу в лімфоїдних тканинах. Віремія контр олюється імунною відповіддю організму, і процес згодом переходить у латентний клінічний період. На цьому етапі реплікація вірусу як у Т-лімфоцитах, так і в макрофагах залишається незмінною, проте існує певне стримання вірусу імунною системою (не показано). Далі продовжується поступове руйнування С Р 4+ лімфоцитів; зрештою їх кількість зменшується, і в пацієнта розвиваються клінічні симптоми розгорнутого СНІДу. С УІ - цитотоксичні Т-лімфоцити ві оболонки - найбільший резервуар Т-лімфоцитів в організмі й найбільш характерне місцезнаходження Т-клітин пам'яті, така локальна загибель призво дить до значної деплеції лімфоцитів, у цій стадії у крові та інших тканинах можна виявити лише дуже малу кількість інфікованих клітин. Після інфікування слизових оболонок відбу ваються дисемінація вірусу та розвиток імунної відповіді організму. Дендритні клітини епітелію у місцях проникнення вірусу захоплюють ВІЛ і мігрують до лімфатичних вузлів. Опинившись у лімфоїдній тканині, вони передають вірус С04+ Т-лімфоцитам за допомогою прямого міжклітинно го контакту. Протягом днів після першого контакту з ВІЛ у лімфатичних вузлах може відбуватися реплі кація вірусу, що призводить до віремії, під час якої у крові пацієнта наявна вже велика кількість вірусних часточок. ВІЛ розсіюється по всьому організму й інфікує Т-хелпери, макрофаги і дендритні клітини у периферичних лімфоїдних тканинах. Протягом 3-6 тиж. від моменту інфікування у 40-90 % інфі кованих розвивається синдром гострої ВІЛ-інфекції, спричинений первинним поширенням вірусу та імунною відповіддю. Це гостре захворювання, яке характеризується неспецифічними симптомами (біль у горлі, міалгія, підвищення температури тіла, зменшення маси тіла та загальна слабість - симп томи, подібні до грипу). Висип, лімфаденопатія, діарея і блювання також можливі. Зазвичай клініч ні симптоми зникають спонтанно через 2-4 тиж. Із поширенням інфекції у людини розвивається противірусна гуморальна та клітинна імунна від повідь. Доказом цього є сероконверсія (зазвичай через 3-7 тиж. після передбачуваного контакту) і наявність вірусоспецифічних СИ8+ цитотоксичних Т-лімфоцитів. Останні можуть з'являтися у крові приблизно в той період, коли титри вірусу почина ють знижуватися. Швидше за все, вони відповідаль ні за первинне обмеження ВІЛ-інфекції. Описана імунна реакція частково контролює інфекцію та розмноження вірусу; доказом цього слугує зни ження рівня віремії до низьких, але можливих для виявлення показників, приблизно до 12-го тижня від моменту первинного контакту. • Х ронічна ф аза. Під час наступної, хронічної фази, місцем постійної реплікації ВІЛ і деструкції клі тин є лімфатичні вузли й селезінка. Цей етап ВІЛінфекції називають латентним клінічним періодом. Хоча в периферичній крові циркулює невелика кількість Т-клітин, що містять вірус, однак деструк ція С 04+ Т-лімфоцитів у лімфоїдній тканині про довжується (до 10 % клітин можуть бути інфіко ваними), і кількість циркулюючих С04+ Т-клітин у периферичній крові стабільно зменшується. Поступово, протягом років, цикл «інфікуваннязагибель Т-клітин-нове інфікування» спричинює зменшення кількості С 04+ Т-лімфоцитів як у лім фоїдній тканині, так і в кровоносному руслі. • СНІД. Остання фаза - це прогресування до СНІДу, що характеризується руйнуванням механізмів захисту організму, значним підвищенням кон центрації вірусу в крові й вираженими клінічни ми симптомами, що загрожують життю людини. Зазвичай клінічна картина проявляється тривалим Синдром набутого імунодефіциту ГОСТРА ФАЗА ХРОНІЧНА ФАЗА ТЕРМІНАЛЬНА ФАЗА Первинна інфекція Гостра ВІЛ-інфекція Поширена дисемінація вірусу -інфікування лімфоїдних органів Смерть - 10' 'о*+■ З 6 9 12 10 11 Тижні Тижні Роки Рис. 5 .4 0 . К л ін іч н и й п е р е б іг В ІЛ - ін ф е к ц ії: А - у ранній фазі після первинного інфікування відбувається поширення вірусу, формування імунної відповіді на ВІЛ, а часто - і розвиток синдрому гострої ВІЛ-інфекції. Протягом латентного клінічного періоду продовжується реплі кація вірусу, а кількість С 0 4 + Т-лімфоцитів поступово зменшується, аж поки не досягне критичного рівня, нижче якого існує ризик розвитку СНІД-асоційованих захворювань. Б - імунна відповідь на ВІЛ-інфекцію. Реакцію цитотоксичних Т-лімфоцитів (СТІ.) на ВІЛ можна виявити через 2 -3 тиж. після первинного інфікування, вона сягає свого піку в період між 9-м і 12-м тижнем. За цей час кількість вірусоспецифічних клонів С 0 8 + Т-лімфоцитів помітно збільшується, і на 12-му тижні до 10 % С Т І пацієнта можуть бути специфічними до ВІЛ. Гуморальна імунна відповідь сягає піку приблизно на 12-му тижні. (А - подяка А.5. Раисі, Н.С. іапе: Нитап іттипосіерсіепсу уігиз сіізеазе: АЮ5 апсі геїаіесі сопсііііопз. Іп А.5. Раисі, е( аі, есіііогз: Наггізоп '5 ргіпсіріез о? іпїегпаі тесіісіпе, есі 14, Уогк, 1997, МсСгауу-НіІІ, р 1791.) підвищенням температури тіла (понад 1 міс.), загальною слабістю, зменшенням маси тіла та діа реєю. Після певного періоду розвиваються тяжкі опортуністичні інфекції, вторинні неоплазії або неврологічна патологія (об'єднані у групу СНІДіндикаторних хвороб, або хвороб, що свідчать про СНІД; див. далі), і тоді вважають, що в пацієнта розвинувся СНІД. Ступінь віремії, який визначається рівнем РНК ВІЛ у крові, є важливим критерієм прогресування захворювання і допомагає у виборі тактики лікуван ня ВІЛ-інфікованих пацієнтів. Концентрація вірусу в крові наприкінці гострої фази відображає досягнуту рівновагу між кількістю вірусів та імунною відповіддю організму, і в деяких пацієнтів може залишатись на постійному рівні протягом кількох років. Цей рівень стійкої віремії, який називають установчою точкою вірусу, - предиктор ступеня зменшення кількості С 04+ Т-лімфоцитів, а отже, прогресування захворювання, спричиненого ВІЛ. Через те що втрата імунного контролю над вірусом пов'язана зі зменшенням кількості СИ4+ Т-лімфоцитів, Центр контролю і профілактики захворювань США (англ. Сепіег/ог Оізеа$е Сопігої апй Ргеоепііоп - СОС) роз робив класифікацію ВІЛ-інфекції, в якій пацієнти роз ділені на три групи залежно від рівня СИ4+ клітин: біль ше або дорівнює 500 клітин/мкл, 200-400 клітин/мкл і менше ніж 200 клітин/мкл (табл. 5.15). За відсутності лікування у більшості ВІЛінфікованих пацієнтів після хронічної фази тривалі стю 7-10 років розвивається СНІД, але є виключення. У швидких прогресорів хронічна фаза в середньому триває 2-3 роки від моменту первинного інфікуван ня. Приблизно 5-15 % інфікованих пацієнтів є нонпрогресорами: вони інфіковані ВІЛ-1 і не отримували лікування, але перебіг хвороби залишається безсимптомним протягом 10 років і довше, зі стабільним рівнем С 04+ Т-лімфоцитів і низькою концентрацією вірусу в плазмі крові (зазвичай < 500 копій РНК/мл). Близько 1 % ВІЛ-інфікованих мають таку концентра цію вірусу в плазмі, яку неможливо виявити за допо могою тестів (< 50-75 копій РНК/мл); цих хворих називають елітними контролерами. Вони привертають велику увагу в надії, що вивчення їх резистентності до прогресування захворювання може пролити світло на фактори організму і вірусу, які впливають на цей процес. Результати дослідження показують, що зна чна група пацієнтів є гетерогенною щодо параметрів, Таблиця 5.15. Класифікація категорій ВІЛ-інфекції, запропонована Центром контролю і профілактики захворювань США К л ін іч н а к а т е г о р ія С 0 4 + Т -к л іт и н н і к а т е г о р ії 1 2 3 І 500 клітин/мкл 200-499 клітин/мкл < 200 клітин/мкл А. Безсимптомна: гостра (первинна) ВІЛ-інфекція, або персистентна генералізована лімфаденопатія А1 А2 АЗ В. Симптоматична: не на лежить до «А» або «С» В1 В2 ВЗ С. СНІД-індикатори: серед них конституціональні захворювання, нев рологічні розлади або новоутворення Дані Центру контролю і профілактики захворювань США: класифікація переглянута у 1993 р., розширене визначення нагляду за СНІАом серед молоді й дорослого населен ня, ММУУЯ 41(ЯК-17):1, 1992. 185 186 ГЛАВА 5 Захворювання імунної системи які впливають на перебіг захворювання. Здебільшого в ізолятах вірусів не виявляють якісних аномалій; це дає підстави думати, що такий неускладнений пере біг не може бути списаний на «нікчемний» вірус. В усіх випадках наявні ознаки активної імунної відпо віді проти ВІЛ, але імунні кореляти захисту й досі невідомі. Деякі із цих пацієнтів мають високі рівні ВІЛ-специфічних С 04+ та С 08+ Т-лімфоцитів, і такий рівень підтримується протягом усієї хвороби. Існує гіпотеза, що успадкування певних алелів НЬА коре лює із резистентністю до прогресії захворювання, ймовірно, відображаючи можливість зумовлювати антивірусну Т-клітинну реакцію. Клінічні прояви С Н ІД у У цій частині глави ми узагальнимо клінічні прояви тер мінальної фази захворювання - розгорнутого СНІДу. У СІЛА в дорослого хворого на СНІД зазвичай спо стерігаються підвищена температура тіла, схудення, діарея, генералізована лімфаденопатія, множинні опортуністичні інфекції, неврологічні прояви та, у багатьох випадках, вторинні неоплазії. Опортуністичні інфекції Опортуністичні інфекції - найчастіша причина смерті хворих на СНІД, які не отримують лікуван ня. Багато із цих інфекцій є реактивованими латент ними інфекціями, які в нормі контролюються імун ною системою, але не повністю ерадиковані через те, що інфекційні агенти еволюційно пристосувалися до співіснування з організмом. Частота інфекцій відріз няється в різних частинах світу, але значно знизилася із появою високоактивної антиретровірусної терапії (скорочено - ВААРТ або АРТ), до складу якої входять три або чотири препарати, що блокують різні етапи життєвого циклу ВІЛ. • Приблизно у 15-30 % ВІЛ-інфікованих, які не отри мують лікування, на певному етапі захворювання розвивається пневмонія, спричинювана грибком Рпеитосузііз Цгоіксі. До впровадження ВААРТ цю інфекцію виявляли у близько 20 % випадків, але серед пацієнтів, які отримують ВААРТ, захворюва ність значно нижча. • Кандидоз - грибкова інфекція, яка найчастіше трап ляється у хворих на СНІД; її клінічними проявами є ураження ротової порожнини, піхви та стравоходу. У ВІЛ-інфікованих кандидоз ротової порожнини слугує ознакою імунної декомпенсації і часто свід чить про перехід у СНІД. Інвазивний кандидоз розвивається рідко, зазвичай при медикаментозноіндукованій нейтропенії або в разі використання постійних катетерів. • Цитомегаловірус (СМУ) може спричинити генералізоване захворювання, але найчастіше уражує очні яблука і травний тракт. Хоріоретиніт раніше спостерігався приблизно у 25 % пацієнтів, але час тота його знизилася після впровадження ВААРТ. Цитомегаловірусний ретиніт виникає майже виключно у пацієнтів із кількістю С 04+ Т-лімфо цитів < 50 клітин/мкл. Ураження травного тракту спостерігається у 5-10 % випадків, проявляється езофагітом і колітом; останній супроводжується множинними виразками слизової оболонки. • Дифузна бактеріальна інфекція, спричинена нетуберкульозними, або атиповими мікобактеріями (най частіше МусоЬасіегішп аіпит-іпігасеїіиіаге), також виникає пізніше, у стадії тяжкої імуносупресії. Захворюваність на туберкульоз різко зросла, поєд нуючись з епідемією СНІДу. У всьому світі майже 1/3 причин смерті хворих на СНІД - це туберкульоз, але у США він трапляється рідко. Розвиток захворю вання зумовлений реактивацією латентного вогни ща в легенях або первинною інфекцією. Так само, як і при туберкульозі, що виникає за інших умов, захворювання може обмежуватися легенями або уражувати й інші органи. Найбільше хвилювання викликають повідомлення про збільшення кількості випадків туберкульозу, спричиненого мультирезистентними мікобактеріями. • Криптококоз виникає майже в 10 % хворих на СНІД. Як і в інших випадках імуносупресії, основний клі нічний прояв криптококозу - менінгіт. Тохоріавта %опсІіі, інший поширений збудник, що інвазує ЦНС при СНІДі, зумовлює розвиток енцефаліту і слугує причиною 50 % усіх вогнищевих утворень у ЦНС. • Вірус ]С, паповавірус людини - ще один важливий інфекційний агент, що уражує ЦНС ВІЛ-інфікованих пацієнтів. Він є збудником прогресивної багатовогнищевої лейкоенцефалопатії (глава 23). Негрез зітріех-інфекція проявляється виразкуванням шкіри та слизових оболонок, включаючи ротову порожни ну, стравохід, зовнішні статеві органи і періанальну ділянку. Постійна діарея, характерна для хворих на СНІД, які не отримують лікування, зазвичай спри чинена протозойною інфекцією або кишковими бактеріями. Пухлини Серед хворих на СНІД висока частота виникнення певних пухлин, а саме саркоми Капоші, В-клітинної лімфоми, раку шийки матки у жінок і раку аналь ного каналу в чоловіків. Ці пухлини часто розгляда ють як СНЩ-індикаторні пухлини. За розрахунками, у 25-40 % нелікованих ВІЛ-інфікованих пацієнтів рано чи пізно розвивається злоякісна пухлина. Багато із цих пухлин спричинені онкогенними ДНК-вірусами, серед яких герпесвірус саркоми Капоші (саркома Капоші), вірус Епштейна-Барр (В-клітинна лімфома) і вірус папіломи людини (карцинома шийки матки й анального каналу). Перераховані віруси є збудниками латентних інфекцій, які в нормі контролює імунна сис тема. Підвищений ризик розвитку злоякісних пухлин при СНІДі переважно зумовлений неможливістю стри мувати інфекцію після реактивації вірусів і знижен ням клітинного імунітету проти інфікованих вірусом клітин, які зазнають злоякісної трансформації. Частота виникнення багатьох із цих пухлин, особливо сарко ми Капоші, знижується на тлі ВААРТ та поліпшення функції імунної системи. Також ВІЛ-інфіковані більше схильні до розвитку пухлин, які виникають у загаль ній популяції, таких як рак легень і шкіри, певні типи лімфом. С арком а К апот і - судинна пухлина, яка порів няно рідко трапляється у США, вважається СНІДіндикаторною пухлиною. Морфологію цієї патології та частоту її виникнення у не ВІЛ-інфікованих пацієн тів описано у главі 10. На початку епідемії СНІДу до Синдром набутого імунодефіциту ЗО % інфікованих гомосексуальних або бісексуальних чоловіків мали саркому Капоші, але з початком вико ристання ВААРТ останніми роками її частота значно знизилася. Водночас у регіонах Центральної Африки, де ВІЛ-інфекція є поширеною і здебільшого нелікованою, саркома Капоші - одна з найчастіших пухлин. Саркома Капоші характеризується проліферацією веретеноподібних клітин, які експресують маркери як ендотеліальних (судинних або лімфатичних), так і гладких м'язових клітин. Окрім того, утворюються інфільтрати клітин хронічного запалення. Багато ознак саркоми Капоші свідчать про те, що вона не є злоякісною (незважаючи на загрозливу назву). Існують переконливі докази, що збудником саркоми Капоші є герпесвірус саркоми Капоші (К5НУ), який також мас назву герпесвірус людини 8-го типу (ННУ-8). Як саме КЗНУ-інфекція призводить до саркоми Капоші, досі незрозуміло. Як й інші герпесвіруси, К8НУ спричинює латентну інфекцію, під час якої продукуються деякі білки, що потенційно стимулюють проліферацію вере теноподібних клітин і пригнічують їх апоптоз. Серед таких білків - вірусний гомолог регулятора клітинного циклу - циклін Б (належить до онкогенів) і кілька інгі біторів р53 (ключовий ген - супресор росту пухлин); обидва беруть участь у розвитку пухлини (глава 6). Веретеноподібні клітини продукують прозапальні фактори та фактори ангіогенезу, які активують запаль ні й неоваскулярні компоненти патологічного процесу; ці компоненти забезпечують пухлину сигналами, що індукують виживання та ріст веретеноподібних клітин. Проте К5НУ-інфекція, хоч і зумовлює розвиток сарко ми Капоші, але не є достатньою - для цього необхідні кофактори. При СНІД-асоційованій формі, зрозуміло, кофактором слугує ВІЛ. ВІЛ-асоційована імуносупресія може зумовлювати дисемінацію К5НУ в організмі хазяїна. Клінічні прояви СНІД-асоційованої саркоми Капоші дуже відрізняються від спорадичної форми (глава 10). у ВІЛ-інфікованих осіб ураження зазвичай поширене, із залученням шкіри, слизових оболонок травного тракту, лімфатичних вузлів і легень. Такі пухлини більш агресивні, ніж спорадичні випадки саркоми Капоші. Л ім ф ом а дуже часто виникає у хворих на СНІД, що робить її ще однією СНІД-індикаторною пухлиною. У майже 5 % пацієнтів лімфома є початковим проявом захворювання, ще у близько 5 % вона розвивається зго дом. Навіть в еру антиретровірусної терапії лімфома продовжує виникати у ВІЛ-інфікованих із частотою, яка щонайменше в 10 разів вища, ніж у загальній популяції. Залежно від молекулярних характеристик ВІЛ-асоційованих лімфом та вищезазначених епідеміо логічних характеристик, підвищений ризик розвитку В-клітинних пухлин серед ВІЛ-інфікованих можуть зумовлювати як мінімум два механізми. • Індукція пухлини онкогенними вірусами. Т-клітинний імунітет необхідний для стримування проліфера ції В-лімфоцитів, латентно інфікованих онкоген ними вірусами, такими як вірус Епштейна-Барр (ЕВУ) і К8НУ. Після появи вираженої деплеції Т-лімфоцитів у процесі захворювання цей конт роль втрачається, й інфіковані В-лімфоцити починають швидко ділитися, що підвищує ризик виникнення мутацій та розвитку В-клітинних пух лин. Як наслідок, хворі на СНІД мають високий ризик утворення агресивних В-клітинних лімфом, які складаються із пухлинних клітин, інфікованих онкогенними вірусами (зокрема ЕВУ). Пухлини часто мають екстранодальну локалізацію - ЦНС, кишки, орбіта, легені тощо. При СНІДі також підвищується частота рідкісних лімфом, що про являються у вигляді злоякісних випотів («первинні ефузійні лімфоми») і вирізняються тим, що пух линні клітини зазвичай коінфіковіні як ЕВУ, так і К5НУ, що є дуже незвичним прикладом кооперації двох онкогенних вірусів. • В-клітинна гіперплазія гермінативних центрів. Більшість лімфом, які розвиваються у пацієнтів із нормальним рівнем С 04+ Т-лімфоцитів, не асоційовані з ЕВУ чи К5НУ. Підвищений ризик виникнення лімфоми у таких пацієнтів може зумовлювати значна В-клітинна гіперплазія гермі нативних центрів, що характерна для ВІЛ-інфекції. Високий рівень проліферації та соматичні мутації В-лімфоцитів створюють підгрунтя для хромосом них транслокацій і мутацій із утворенням генів, які спричинюють розвиток пухлини. Насправді, агресивні В-клітинні пухлини, що виникають за відсутності тяжкої деплеції Т-лімфоцитів у ВІЛінфікованих осіб (зокрема лімфома Беркітта і дифузна великоюіітинна В-лімфома), часто зумов лені мутаціями онкогенів, таких як МУС і ВС І-6, що кодують молекулярні маркери «помилок» під час спроби урізноманітнення генів імуноглобулі нів у В-клітинах гермінативних центрів. Деякі інші ЕВУ-асоційовані проліферації також привертають увагу. Л ім ф ом а Г одж к ін а - незви чайна В-клітинна пухлина, пов'язана із вираженою запальною реакцією тканин (глава 12), так само часто виникає у ВІЛ-інфікованих. Майже в усіх випадках ВІЛ-асоційованих лімфом Годжкіна наявні пухлинні клітини (клітини Рід-Штернберга), інфіковані ЕВУ. Багато (але не всі) пацієнти із цією патологією мають низький рівень С 04+ Т-лімфоцитів на тлі клінічних ознак хвороби. ЕВУ-інфекція також спричинює воло систу лейкоплакію порожнини рота (білі нашарування на язику), яка виникає внаслідок ЕВУ-індукованої проліферції плоского епітелію слизової оболонки порож нини рота (глава 15). Інш і пухлини. Окрім саркоми Капоші й лімфом у хворих на СНІД також підвищена частота карцино ми шийки матки та раку анального каналу. Обидві ці пухлини тісно пов'язані з вірусом папіломи люди ни, який погано контролюється організмом в умовах імуносупресії. Захворювання центральної нервової системи Ураження ЦНС - поширений і важливий прояв СНІДу. у 90 % пацієнтів спостерігаються певні форми ураження нервової системи під час аутопсії, а 40-60 % ВІЛ-інфікованих мають клінічні прояви неврологіч ної дисфункції. Важливим є те, що в деяких пацієнтів неврологічні розлади можуть бути єдиною або най першою ознакою ВІЛ-інфекції. Ураження включають периферичні нейропатїї і, найчастіше, прогресивну енцефалопатію, яка отримала назву ВІЛ-асоційований нейрокогнітивний розлад (глава 23). 187 188 ГЛАВА 5 Захворювання імунної системи Вплив антиретровірусної т ерапії на перебіг ВІЛ-інфекції Поява нових препаратів, молекулярними мішенями яких слугують ферменти ВІЛ - зворотна транскриптаза, протеаза й інтеграза, змінила клінічне «обличчя» СНІДу. Якщо комбінацію як мінімум трьох препаратів застосовують у мотивованого, свідомого пацієнта, реплі кація ВІЛ знижується до показників, нижчих за поріг виявлення (< 50 копій РНК/мл) і залишається на тако му рівні, допоки пацієнт дотримується терапії. Після супресії вірусу прогресивне зменшення кількості С04+ Т-лімфоцитів припиняється; їх рівень у периферичній крові повільно зростає, часто повертаючись до нормаль них показників. Використання цих препаратів знизило щорічну смертність від СНІДу у США із 16-18 осіб на 100 тис. у 1995-1996 рр. до менше ніж 4 на 100 тис. осіб на сьогодні. Багато СНІД-асоційованих розладів, таких як опортуністична інфекція Р. )ігоуесі й саркома Капоші, нині трапляються доволі рідко. Ефективна ВААРТ також знизила ризик передачі вірусу, особливо від інфікованої матері до новонародженого. Незважаючи на значні переваги, з'явилися нові ускладнення, пов'язані з ВІЛ-інфекцією та її ліку ванням. У деяких пацієнтів із клінічно маніфестним захворюванням, які отримують ВААРТ, спостерігається парадоксальне клінічне погіршення у період віднов лення імунної системи, попри збільшення кількості С04+ Т-лімфоцитів та зниження концентрації вірусу. Патогенез цього розладу під назвою запальний синдром відновлення імунітеті/ є незрозумілим, але припуска ють, що в його основі лежить погано регульована від повідь організму на високе антигенне навантаження персистентними мікроорганізмами. До більш важли вих ускладнень тривалої ВААРТ належить небажана побічна дія препаратів, яка включає ліпоатрофію (втрата жирової тканини обличчя), ліпоакумуляцію (центральне надмірне відкладення жиру), підвищену концентрацію ліпідів у крові, резистентність до інсулі ну, периферичну нейропатію, ранні серцево-судинні захворювання, хвороби нирок та печінки. Зрештою в пацієнтів, які тривало отримують ВААРТ, захворюва ність на такі не СНІД-асоційовані хвороби набагато вища, ніж на безпосередньо СНІД-асоційовані хвороби. Основні причини захворюваності - рак і ранні серцевосудинні хвороби. Механізм цих не СНІД-асоційованих уражень невідомий, але, можливо, певну роль відігра ють хронічне запалення та Т-клітинна дисфункція. Із прогресуванням захворю вання знижується активність проліферації В-клітин, щ о призводить до вираж еної інволю ції лімфоїдної тканини: лімфатичні вузли містять значно меншу кількість лімфоцитів, а організована сітка фолікулярних ден д р и тн и х клітин руйнується. Гермінативні центри м ожуть навіть зазнавати гіалінозу. П ід час цієї р о зго р н уто ї стадії зменшуєть ся кількість вірусу в лімфатичних вузлах, частково за рахунок руйнування фолікулярних д е нд ри тни х клітин. Такі « п е ре го р і лі» лімфатичні вузли виглядають атроф ічними, дрібним и й міс тять численні о п о р тун істи ч н і патогени, які часто локалізують ся у макрофагах. Унаслідок вираж еної імуносупресії запальна відповідь на інф екції як у лімфатичних вузлах, так і поза ними може бути млявою або атиповою . Наприклад, мікобактеріям часто не вдається зум овити формування гранульом через не достатню кількість С й 4 + клітин, і виявити ці або інш і інфек ційн і агенти складно без застосування спеціальних барвників. Як м ож на очікувати, інволюція лімфоїдної тканини відбува ється не лише в лімф атичних вузлах; у пізніх стадіях С Н ІД у селезінка і тим ус та ко ж перетворю ю ться на «пустирі», майже позбавлені лімфоцитів. Незважаючи на значний прогрес у розумінні й лікуванні ВІЛ-інфекції, довготривалий прогноз у хворих на СНІД залишається несприятливим. Хоча з початком застосування ефективної медикаментозної терапії рівень смертності у США знизився, навіть у пацієнтів, які отримують ВААРТ, у лімфоїдній тка нині міститься ДНК вірусу. Справжнє етіологічне лікування, яке завершувалося би повним одужанням, усе ще недоступне. Так само, попри численні спроби розроблення вакцини, залишається багато перешкод на шляху втілення цієї ідеї. Молекулярні дослідження виявили вражаючий ступінь варіабельності вірусних ізолятів у пацієнтів; це робить створення вакцини надзвичайно складним завданням. Останні спроби фокусуються на утворенні широконейтралізувальних антитіл проти відносно неваріабельних протеїнів ВІЛ. Таким чином, нині профілактика, заходи громадсько го здоров'я та ВААРТ залишаються основними засоба ми боротьби зі СНІДом. РЕЗЮМЕ КЛІНІЧНИЙ ПЕРЕБІГ ТА УСКЛАДНЕННЯ ВІЛ-ІНФЕКЦІЇ • П е р е б іг за х в о р ю в а н н я . ВІЛ-інф екція має стад ійний (фа зовий) перебіг: • гостра ВІЛ-інфекція: прояви го с тр о го вірусного за хво р ю М О Р Ф О Л О ГІЯ вання; • хронічна (латентна) фаза: дисемінація вірусу, імунна відпо Зміни у тканинах (за винятком головного мозку) не є ані спе відь організму, прогресивне руйнування імунних клітин; цифічними, ані д іагностично значущими. Звичайні патоморф о- • СНІД: тя ж ки й імунодефіцит. логічні ознаки С Н ІД у зумовлені о п о ртуністичн им и інфекціями, саркомою Капош і та В-клітинними лімфомами. Більшість із цих уражень розглянуто в інш их главах, тому щ о вони виникають й у ВІЛ-інф ікованих осіб. Ураження Ц Н С описані у главі 23. Біоптати збільш ених лімфатичних вузлів у ранній стадії ВІЛ- • К л ін іч н і п р о яв и . Р озвинений С Н ІД проявляється усклад неннями, о сн о в н о ю п р и ч и н о ю я ки х є імунодефіцит: • о п о р ту н іс ти ч н і інфекції; інфекції демонструю ть значну гіперплазію В-клітин у фолікулах, • пухлини, особл иво сп р ич ине н і о н ко ге н н и м и вірусами; які часто набувають незвичної, повзучої форми. М антійні зони, • неврологічні ускладнення із нез’ясованим патогенезом. які оточую ть фолікули, атенуйовані, а гермінативні центри вкар бовані у міжфолікулярні Т-клітинні зони. Така гіперплазія є м о р • А н т и р е т р о в ір у с н а т е р а п ія значно знизила частоту фологічним відображенням поліклональної активації В-клітин та розвитку о п о р т у н іс ти ч н и х інф екцій та пухлин, але та ко ж гіпергаммаглобулінемії, які спостерігаються у ВІЛ-інфікованих. має численні ускладнення. Амілоїдоз А М ІЛ О ЇД О З Амілоїдоз - стан, який характеризується численними розладами, зумовленими утворенням позаклітинних депозитів фібрилярних білків, що призводить до ушкодження тканин та порушення їхніх функцій. Патологічні фібрили формуються внаслідок агрегації неправильно зібраних білків (які за своєї нормальної складчастої конфігурації є розчинними). Утворені фібрилярні депозити своєю чергою зв'язують різнома нітні протеоглікани та глікозаміноглікани, які містять заряджені полісахаридні групи і надають позаклітин ним депозитам ознак, що нагадують тінкторіальні влас тивості крохмалю (амілози). У зв'язку із цим їх назвали амілоїдом - терміном, який глибоко вкорінився, незважа ючи на розуміння того, що фібрилярні депозити ніяким чином не пов'язані із крохмалем. Патогенез формування депозитів амілоїду Відкладення амілоїду можуть виникати при багатьох станах, і при кожному з них конфігурація білка різна. Хоча амілоїд завжди має однаковий морфологічний вигляд, біохімічно він є гетерогенним. Насправді, понад ЗО різних білків можуть агрегувати і формува ти фібрили, що мають вигляд амілоїду. Незважаючи на їхнє походження, усі відкладення амілоїду містять нерозгалужені фібрили, кожна з яких складається з переплетіння поліпептидів у р-складчастій конформа ції (рис. 5.41). Приблизно 95 % амілоїду формується із фібрилярних білків, інші 5 % складають різноманітні глікопротеїди. Розрізняють три найпоширеніші форми амілоїду: • АЬ (амілоїд легких ланцюгів) складається із цілих лег ких ланцюгів імуноглобулінів чи фрагментів легких ланцюгів з аміно-терміналями, або і тих, і інших; • АА (амілоїд-асоційований) амілоїд складається із білка з молекулярною масою 8500 Да, який утворюється вна слідок протеолізу більшого за масою попередника у крові, що має назву 5АА (сироватковий аміло'їд-асоційований) протеїн і синтезується в печінці; • р-амілоїдний протеїн (Ар) - білок із молекулярною масою 4000 Да, який утворюється внаслідок протео лізу набагато більшого трансмембранного глікопротеїду, який має назву білок - попередник амілоїду. Багато інших білків також можуть утворювати депо зити амілоїду при різноманітних паталогічних станах. Деякі з найбільш клінічно значущих прикладів описа но нижче. Класифікація амілоїдозу і механізмів формування амілоїду Амілоїдоз виникає внаслідок патологічного збиран ня білків, що передбачає їх р-складчасту (плісирова ну) конформацію, агрегацію та відкладення у вигляді фібрил у позаклітинному матриксі. У нормі внутріш ньоклітинні неправильно зібрані білки руйнуються протеасомами, а позаклітинні агрегати захоплюються та розщеплюються макрофагами. При амілоїдозі ці механізми контролю не працюють, і фібрилярні білки накопичуються в позаклітинному матриксі. Білки, які Рис. 5.41. С т р у к т у р а амілоїду: А - схематичне зображення амілоїдного волокна, що демонструє чотири фібрили (у кожному волокні їх може бути до шести), які обертаються один навколо одного із регу лярними ділянками, що зв’язують барвник конго червоний. Б - фар бування конго червоним зумовлює яблучно-зелений колір подвійного заломлення променів у поляризованому світлі; це діагностична ознака амілоїду. 8 - електронна мікроскопія амілоїдних фібрил (7,5-10 нм). (Від С. Мегііпі, V ВеІІоПІ: Моїесиїаг тесЬапі$т$ о[атуІоісІо$І5, N Еп§І ] Месі 3 4 9 :5 8 3 -5 9 6, 2003.) формують амілоїд, належать до двох основних катего рій (рис. 5.42): (1) нормальні білки, які мають природну здатність зв'язуватися і формувати фібрили, особливо коли продукуються в надмірній кількості; (2) мутовані білки, схильні до неправильного збирання та агрегації. Механізми відкладення різних типів амілоїду розгляда ються далі, разом із класифікацією. Через те що будь-яка форма амілоїду (наприклад, АА) може асоціюватися із різноманітними клінічними станами, ми дотримуватимемося класифікації, яка вра ховує клінічні й біохімічні ознаки (табл. 5.16). Амілоїдоз може бути системним (генералізованим), із залученням кількох систем організму, або локалізованим у межах одного органа, наприклад серця. За клінічними ознака ми системний амілоїдоз поділяють на первинний - якщо він пов'язаний із клональною проліферацією плазмоцитів, і вторинний - якщо він виникає як ускладнення хро нічного запального чи тканинно-руйнівного процесу. Спадковий, або сімейний, амілоїдоз складає окрему гете рогенну групу із кількома певними закономірностями щодо ураження органів. П е р ви н н и й амілоїдоз: проліф ерація плазмоцитів, асоційована з амілоїдозом При цій патології амілоїд АЬ зазвичай відкладається системно. Це найпоширеніша форма амілоїдозу - у США щороку реєструють приблизно 2000-3000 нових 189 ГЛАВА 5 Захворювання імунної системи ПРОДУКУВАННЯ НОРМАЛЬНОЇ КІЛЬКОСТІ МУТАНТНОГО БІЛКА (наприклад, транстиретину) ПРОДУКУВАННЯ НАДМІРНОЇ КІЛЬКОСТІ БІЛКА Нативні білки, які мають природну здатність зв'язуватись Набуті мутації Активація макрофагів Моноклональна проліферація В-лімфоцитів Амілоїдогенний проміжний продукт (наприклад, неправильно зібрані білки) Спадкові мутації Хронічне запалення И-1, ІІ_-6 Плазматичні клітини Мутантний транстиретин Легкі ланцюги імуноглобулінів Збирання мономерів у Р-складчасті структури ФІБРИЛИ БІЛОК АТТК АМІЛОЇД АА АМ ІЛОЇД Л і Б Агрегація Частковий протеоліз Частковий протеоліз -------------------- В Рис. 5 .4 2 . П а т о г е н е з а м іл о їд о з у : А - загальний механізм утворення амілоїдних фібрил. Б - формування амілоїду внаслідок посиленого синтезу білків, схильних до неправильного збирання. В - формування амілоїду із мутантного білка випадків. Вона спричинена ю ю н а л ьн о ю п роліф ераці єю плазмоцит ів, які синтезують анормальні молекули імуноглобулінів. Системний АЬ-амілоїдоз виникає у 5-15 % осіб із мієломною хворобою - пухлиною із плазмоцитів, яка характеризується надмірним про дукуванням вільних (неспарених) легких ланцюгів імуноглобулінів (глава 12). Вільні легкі ланцюги к або А (які мають назву білок Бенса Джонса) схильні до агрегації та відкладення у тканинах у вигляді амілоїду. Однак здебільшого при мієломній хворобі амілоїдоз не розви вається, тому зрозуміло, що не всі вільні легкі ланцюги однаково здатні утворювати амілоїд. Із невідомих при чин легкі ланцюги X приблизно у 6 разів частіше утво рюють амілоїд, ніж легкі ланцюги к. Т аблиця 5.16. Класифікація амілоїдозу Клініко-патологічна категорія Асоційовані захворювання Основний білок фібрил Хім ічно споріднений попередник білка Проліферація плазматичних клітин з амілоїдозом (первинний амілоїдоз) Мієломна хвороба та інші моноклональні проліферації плазматичних клітин АІ_ Легкі ланцюги імуноглобуліну, пере важно типу Л Реактивний системний амілоїдоз (вторин ний амілоїдоз) Хронічні запальні захворювання АА 5АА Гемодіаліз-асоційований амілоїдоз Хронічна ниркова недостатність А(32т Р2-Мікроглобулін Сімейна середземноморська гарячка АА 5АА Сімейні амілоїдні нейропатії (кілька типів) АТТК Транстиретин Сенільний амілоїдоз АТТК Транстиретин Ар АРР Медулярна карцинома щитоподібної залози АСаІ Кальцитонін Ураження острівців Дангерганса АІАРР Острівцевий амілоїдний пептид Ізольований амілоїдоз передсердь ААГЧР- Передсердний натрійуретичний фактор Системний (генералізований) амілоїдоз Спадковий амілоїдоз Локалізований амілоїдоз Сенільний амілоїдоз головного мозку Хвороба Альцгеймера Ендокринний амілоїдоз Цукровий діабет 2-го типу Амілоїдоз Зазвичай у пацієнтів із АЬ-амілоїдозом немає ознак мієломної хвороби чи будь-якої іншої явної В-клітинної неоплазії; такі випадки традиційно кла сифікують як первинний амілоїдоз, тому що клінічні прояви виникають виключно внаслідок впливу відкла день амілоїду, а не внаслідок росту пухлини. Майже в усіх таких випадках моноклональні імуноглобуліни або вільні легкі ланцюги, або і ті, й інші можна вияви ти в крові або сечі, у більшості пацієнтів визначають помірне збільшення кількості плазмоцитів у кістково му мозку. Ймовірно, ці плазмоцити секретують попе редники амілоїду АЬ. Реакт ивний сист емний амілоїдоз При реактивному системному амілоїдозі відкладається амілоїд АА. Раніше його називали вторинним амілоїдо зом, оскільки він вит ікає вн асл ідок запальних процесів. Донедавна туберкульоз, бронхоектатична хвороба та хронічний остеомієліт були найважливішими причи нами цієї патології, але на сьогодні зазначені захворю вання часто виліковуються завдяки антибіотикотерапії, а отже, рідше призводять до розвитку амілоїдозу. Нині реактивний системний амілоїдоз переважно є усклад ненням ревматоїдного артриту та інших захворювань сполучної тканини, таких як анкілозний спондиліт і запальні захворювання кишок, особливо хвороба Крона та неспецифічний виразковий коліт. Серед вищеназваних найчастіше трапляється ревматоїдний артрит. Амілоїдоз розвивається приблизно у 3 % паці єнтів із ревматоїдним артритом і є клінічно значущим у половини з них. у наркозалежних осіб, які вводять героїн підшкірно, частота системного АА-амілоїдозу також висока. Хронічні інфекції шкіри, спричинені підшкірним уведенням наркотичних речовин, імовір но, можуть бути асоційовані з розвитком амілоїдозу. Реактивний системний амілоїдоз також може виникати при деяких видах раку, найчастіше - при нирково-клітинній карциномі та лімфомі Годжкіна. При АА-амілоідозі синтез 5АА гепатоцитами сти мулюють цитокіни ІЬ-6 та І П , які продукуються при запаленні; отже, тривале запалення призводить до постійного підвищення рівня 5АА, але лише в незнач ної частки пацієнтів розвивається амілоїдоз. Можливо, у деяких пацієнтів унаслідок розпаду 5АА утворю ються проміжні продукти, які схильні до формування фібрилярних білків амілоїду. Сімейно-спадковий амілоїдоз Було описано багато різноманітних сімейних форм амілоїдозу. Більшість із них рідкісні та реєстру ються на обмежених географічних територіях. Найпоширенішим і найбільш вивченим є аутосомнорецесивне захворювання під назвою сімейна середземно морська гарячка, яка зазвичай трапляється серед вірменів, євреїв сефарді та арабів. Цей «аутозапальний» синдром зумовлений надмірним продукуванням ІЬ-1 у відповідь на медіаторні запалення. Він характеризуєть ся нападами гарячки, які супроводжуються запален ням серозних оболонок, що проявляється перитонітом, плевритом і синовіїтом. Ген, асоційований із розвитком сімейної середземноморської гарячки, кодує білок пірин, який пригнічує відповідь природженого імуні тету, зокрема нейтрофілів, на медіатори запалення. При цьому захворюванні утворюється амілоїд АА, що дає підставу вважати можливою причиною цього стану рекурентні напади гарячки. На відміну від сімейної середземноморської гаряч ки група аутосомно-домінантних розладів характери зується відкладенням амілоїду, що містить фібрили, які утворюються із мутантного транстиретину (ТІ К) транспортера гормону тироксину. Примітно, що різні поліпептиди ТТК формують депозити в різних органах; так, у деяких родинах амілоїд накопичується переважно у периферичних нервах (сімейна амілоїдна полінейропатія), тоді як в інших переважають депози ти у серці. Мутація у гені ТТК, яка спричинює амілоїдоз серця, наявна у приблизно 4 % темношкірого населен ня США, і тому кардіоміопатію діагностують у гомо- й гетерозиготних пацієнтів. Справжня кількість пацієнтів із цією мутацією, у яких розвивається клінічно значуще захворювання серця, невідома. Амілоїдоз, асоційований із гемодіалізом У пацієнтів, які перебувають на тривалому гемодіалізі внаслідок ниркової недостатності, депозити амілої ду можуть утворюватися із р , - м і к р о п ю б у л і н у . При патології нирок концентрація цього білка в сироватці крові висока, і раніше під час гемодіалізу він залишав ся у кровоносному руслі, тому що не міг пройти крізь діалізні фільтри; із появою нових діалізних фільтрів частота ускладнення значно знизилась. Класичними ознаками цієї форми амілоїдозу є тріада: лопатковоплечовий періартрит, зап'ястковий синдром і тендова гініт м'язів - згиначів долоні. Локалізований амілоїдоз Іноді відкладення амілоїду обмежене одним органом або тканиною без залучення будь-якого іншого суб страту в організмі. Депозити можуть утворювати вузлу ваті маси, видимі неозброєним оком, або такі, які можна виявити лише під мікроскопом. Вузлуваті відкладення амілоїду найчастіше трапляються у легенях, гортані, шкірі, сечовому міхурі, язиці та в ділянках над очним яблуком. Зазвичай поряд з амілоїдними масами утво рюються інфільтрати, які складаються з лімфоцитів та плазмоцитів. у деяких випадках амілоїд містить білок АЬ, а отже, являє собою локалізовану форму амілоїду, асоційовану із плазмоцитами. Е ндокринний амілоїдоз Локалізовані мікроскопічні відкладення амілоїду можуть виявлятися у деяких ендокринних пухлинах, таких як медулярна карцинома щитоподібної залози, пухлина острівців підшлункової залози, феохромоцитома та недиференційована карцинома шлунка, а також в острівцях Лангерганса при цукровому діа беті 2-го типу. За таких умов амілоїд походить або з поліпептидних гормонів (наприклад, при медулярній карциномі), або з унікальних білків (наприклад, острівцевий амілоідний поліпептид). Сенільний амілоїдоз Кілька документально підтверджених форм амілоїдозу виникає в процесі старіння організму. Сенільний амі лоїдоз - це системне відкладення амілоїду в пацієнтів похилого віку (зазвичай віком 70-80 років). Унаслідок переважного ураження серця і, відповідно, порушення функцій його раніше називали сенільним кардіальним 192 ГЛАВА 5 Захворювання імунної системи амілоїдозом. Пацієнти із такими клінічними проявами страждали від рестриктивної кардіоміопатії та аритмій (глава 11). Амілоїд при цій формі, на відміну від сімей них форм, утворюється із нормального ТТК. Підтвердження можна отримати за д о по м о го ю електронної мі кроскопії, яка візуалізує аморфні неорієнтовані тонкі фібрили. Найдостовірніш им методом визначення тип у амілоїду є масспектроскопія, оскільки ім уногістохімічні маркери недостатньо чутливі та специфічні. ' Законом ірності ураження органів при різних формах аміло М О РФ О ЛО ГІЯ їдозу різні. Немає по стій ни х або визначених законом ірностей відкладення Н и р к и . Амілоїдоз н и р о к - найчастіша і потенційно най амілоїду в певних органах чи тканинах, але деякі узагальнення тяжча форма ураження. М акроскопічно нирки можуть мати усе-таки можна зробити. П ри АА-амілоїдозі, який виникає вна нормальні розмір та колір; у більш складних випадках вони слідок х р о н іч н и х запальних захворювань, зазвичай уражуються можуть зменшуватися внаслідок ішемії, спричиненої звуженням нирки, печінка, селезінка, лімфатичні вузли, надниркові залози, просвіту судин як результату відкладення амілоїду в стінках ар щ итоподібна залоза та багато інш их органів. Х о ча АІ_-амілоїдоз терій та артеріол. П ід час гістол огічного дослідження амілоїд пов’язаний із проліферацією плазмоцитів, не м ож на ч ітко від локалізується переважно в ни ркових клубочках, але уражую ть окрем ити йо го від АА -амілоїдозу за ознаками переважного ся та ко ж інтерстицій, перитубулярні ділянки, артерії та артеріо ураження органів; він частіше розвивається в серці, травному ли. Гломерулярні депозити спочатку пом ірно збільшують об'єм тракті, дихальних шляхах, периф еричних нервах, ш кірі та язи мезангіального матриксу, щ о зазвичай супроводжується нерів ці. Локалізація відкладень амілоїду при спадкових синдромах номірним стовщ енням базальних мембран капілярів ниркових також різноманітна. П ри сімейній середземноморській гарячці клубочків. Згодом відкладення у мезангії та вздовж базальних АА-амілоїдоз може бути дифузним, уражую чи нирки, кр о в о мембран спр ичиню ю ть звуження просвіту капілярів і руйну носні судини, селезінку, дихальні шляхи та (рідко) печінку. вання клітин клубочка. Із прогресуванням амілоїдозу ниркових Амілоїд можна виявити м акроскопічно, коли він на копичу ється у великій кількості. О рган зазвичай збільшений у розмі клубочків просвіт капілярів облітерується, і нефункціональні рах, тканина виглядає сір о ю і має воскову, щільну консистен цію. П ід час гістол огічного дослідження відкладення амілоїду завжди позаклітинні, часто починаю ть з'являтися між клітина ми, розміщ еними біля базальних мембран (рис. 5.43, А). У міру клубочки заміщуються суцільною масою або мереживним пе реплетенням ш и р о ки х стрічок амілоїду. Селезінка. Амілоїдоз селезінки може бути невидимим ма кр о ско п ічн о або проявлятися по м ір но ю чи значною сплено- накопичення амілоїд оточує клітини, згодом сп р ичиню ю чи їх мегалією (до 800 г). Із незрозумілих п ричин спостерігаються два чіткі варіанти відкладення амілоїду. П ри перш ому варіанті загибель. Ф орм а амілоїдозу, пов’язана із проліферацією плазмо депозити обмеж ені фолікулами селезінки і мають вигляд са- цитів, часто супроводжується акумуляцією депозитів у судинній го п о д іб н и х гранул під час м а кроскопічного дослідження; така патологія дістала назву сагова селезінка. П ри другому варіанті стінці й периваскулярних просторах. Діагноз амілоїдозу встановлюють на основі резуль татів гістологічного дослідження. Під час світлової м ікро амілоїд відкладається у стінках синусів селезінки й у сполуч скопії амілоїд (фарбування гематоксиліном та еозином) має вигляд утворених депозитів формуються великі мапоподібні ділянки; аморфної еозинофільної гіаліноподібної субстанції. Щ о б дифе таке ураження дістало назву сальна селезінка. нотканинном у каркасі червоної пульпи. У разі злиття раніше ренціювати амілоїд від інш их гіаліноподібних субстанцій (колаге Печінка. Відкладення можуть бути невидимі макроскопічно ну, фібрину), використовують різні гістохімічні методи фарбування. або мати вигляд помірної чи значної гепатомегалії. Амілоїд спо Найчастіше застосовують конго червоний, який при звичайному чатку з'являється у просторах Діссе, а потім поступово захоплює освітленні забарвлює тканинні депозити в рожевий або червоний сусідні гепатоцити і синусоїди. Із часом виникають деформація, колір. Набагато яскравішим та специфічним є зелене забарвлення атрофія внаслідок тиснення та елімінації гепатоцитів, що спричи амілоїду при поляризаційній мікроскопії внаслідок властивостей нює повне заміщення амілоїдом великих ділянок паренхіми. Часто цього субстрату заломлювати світло (рис. 5.43, Б). Така реакція трапляються ураження судин й утворення депозитів у клітинах на фарбування спільна для всіх типів амілоїду і спричинена пе Купффера. Ф ункція печінки зазвичай збережена, незважаючи на рехресною те що іноді ділянки ураження мають доволі великі розміри. р-складчастою конфігурацією амілоїдних фібрил. Рис. 5.43. М ор ф о л огіч ні о зн а ки ам ілоїдозу: А - рожево-червоні відкладення амілоїду в стінках кровоносних судин й уздовж синусоїдів у препараті печінки, пофарбованому конго червоним. Б - жовто-зелене подвійне заломлення світла депозитами амілоїду під час поляризаційної мікроскопії. (Подяка Ог. Т. УУоггеІІ апсі 5. Ніпіоп, йерапт епї о(РаіЬоІо§у, І/п/уегз/гу о(Техаз 5оиіЬше$Іегп Месіісаі 5сНооІ, йаііав, Техаз.) Амілоїдоз С е р ц е . Амілоїдоз серця (глава 11) може виникати при будь-якій формі системного амілоїдозу. Це також один із ор ганів, що найчастіше уражуються при сенільному амілоїдозі. Серце може збільшуватися і ставати щільним, але частіше макроскопічних ознак ураження немає. Під час гістологічно го дослідження депозити спочатку мають вигляд фокальних субендокардіальних скупчень, а також виявляються у міо карді між м’язовими волокнами. Поширення міокардіальних депозитів поступово зумовлює атрофію м’язових волокон унаслідок їх стиснення. Субендокардіальна акумуляція амі лоїду може ушкоджувати провідну систему серця, що супро воджується змінами на ЕКГ, які спостерігаються у частини пацієнтів. Ін ш і о р г а н и . Вузликові відкладення в я зи ц і можуть спри чинювати макроглосію як прояв пухлиноподібного амілоїдозу язика. Ураження д и х ал ьн и х ш ляхів може бути вогнищевим або дифузним - від гортані до найменших бронхіол. Окрему форму амілоїдозу описано при хворобі Альцгеймера; амілоїд може відкладатись у «бляшках», а також у стінках кровонос них судин (глава 23). Амілоїдоз периферичних та автономних н е р в ів - характерна ознака кількох сімейних амілоїдних нейропатій. Клінічні прояви Амілоїдоз може бути неочікуваною знахідкою під час аутопсії, за відсутності попередніх клінічних проявів, або може зумовлювати тяжку клінічну кар тину і навіть слугувати причиною смерті. Симптоми залежать від розміру депозитів та їх локалізації. Клінічні прояви спочатку часто є неспецифічними і характеризуються загальною слабістю, зменшенням маси тіла, запамороченням або синкопе. Більш спе цифічні симптоми з'являються пізніше та найчасті ше пов'язані з ураженням нирок, серця і травного тракту. А м іл о їд о з ни рок призводить до протеїнурії, яка може прогресувати й переходити в нефротичний синдром (глава 14). Прогресивна облітерація нирко вих клубочків при тяжкому перебігу в термінальній стадії спричинює ниркову недостатність та уремію. Ниркова недостатність слугує частою причиною смерті. А м іл о їд о з серця може бути прихованим і прояв лятися як застійна серцева недостатність; найтяжчі його ознаки - порушення провідності та розвиток аритмій, які можуть бути фатальними. Іноді перебіг амілоїдозу нагадує рестриктивну кардіоміопатію або хронічний констриктивний перикардит (глава 11). А м іл о їд о з т р а в н о го т р акт у може бути безсимптомним або проявлятися різною клінічною карти ною. Амілоїдоз язика може спричинити значне його збільшення та втрату еластичності, що утруднює мовлення і ковтання. Депозити у шлунку й кишках можуть призводити до порушення всмоктування, діареї та порушення процесів травлення. Амілоїдоз судин спричинює їх ламкість, що супро воджується ризиком кровотеч, часто масивних, які виникають спонтанно або після, здавалося б, триві альної травми. Окрім того, у деяких випадках амілоїд АЬ зв'язується із фактором X - ключовим фактором згортання - та інактивує його, що призводить до загрозливої для життя патології системи згортання крові. Діагноз амілоїдозу встановлюють на основі гіс тологічного дослідження, під час якого виявляють характерні депозити в тканинах. Органи, з яких найчастіше беруть біоптати на дослідження, - це нирки (за наявності симптомів ураження нирок), пряма кишка і язик (у пацієнтів, в яких підозрюють системний амілоїдоз). Дослідження аспіратів абдо мінального жиру, пофарбованих конго червоним, також можна використовувати для діагностики сис темного амілоїдозу; тест доволі специфічний, але його чутливість низька. За підозри на АЬ-амілоїдоз потрібно виконати електрофорез білків сироватки та сечі, а також імуноелектрофорез. У кістковому мозку в таких випадках часто виявляють моноклональну популяцію плазмоцитів, навіть за відсутності міє ломної хвороби. Сцинтиграфія із міченим радіоак тивним сироватковим амілоїдом Р (5АР) - швидкий специфічний тест, оскільки 5АР зв'язується з відкла деннями амілоїду і в такий спосіб маркує їх наявність. Це дослідження також дає можливість визначити ступінь тяжкості амілоїдозу і придатний для спосте рігання за пацієнтами, які проходять лікування. Масспектроскопія - інформативний метод ідентифікації білкового компонента амілоїду; її може проводити на залитих парафіном зразках тканини. Прогноз при системному амілоїдозі несприят ливий. у пацієнтів з АЬ-амілоїдозом (без мієломної хвороби) медіана виживаності після встановлення діагнозу становить 2 роки. Амілоїдоз, пов'язаний із мієломною хворобою, має ще гірший прогноз. Перспектива для пацієнтів із реактивним системним амілоїдозом трохи краща і певною мірою залежить від контролю основного захворювання. Є дані про розсмоктування амілоїду після лікування основного захворювання, але це трапляється рідко. Нині роз робляють нові терапевтичні методики, спрямовані на коригування складчастості білка та пригнічення фібрилогенезу. РЕЗЮМЕ • Амілоїдоз характеризується позаклітинним відкладенням білків, які схильні до агрегації та формування нерозчинних фібрил. • Відкладення амілоїду можливе внаслідок надмірного проду кування білків, схильних до агрегації, або дефекту протеолі тичного розщеплення позаклітинних білків. • Амілоїдоз може бути локалізованим або системним. Роз вивається як ускладнення різноманітних первинних станів, серед яких моноклональна проліферація В-лімфоцитів (при якій депозити амілоїду містять легкі ланцюги імуноглобуліну); хронічні запальні захворювання, такі як ревматоїдний артрит (відкладення амілоїд-асоційованого білка, який по ходить від білків гострої фази запалення); хвороба Альцгей мера ((3-амілоїдний білок); сімейні захворювання, при яких депозити амілоїду утворені мутантними білками (напри клад, транстиретин при сімейній амілоїдній полінейропатії); гемодіаліз (відкладення Р2-мікроглобуліну, кліренс якого не повноцінний). • Відкладення амілоїду внаслідок стискання ушкоджують струк туру тканин і порушують їхні функції. Депозити не зумовлю ють запальної відповіді. 193 ГЛАВА 5 Захворювання імунної системи Р ЕК О М ЕН Д О В А Н А Л ІТ ЕРА Т У РА Сепеіісв о£ аііег^у апсі а11ег§іс зепзійгайоп: сошшоп уагіапіз, гаге тиіай опз / К. Воппеїукке, К. 5рагкз, ]. №аа§е еі аі. / / Сигг Оріп І т т и п о ї 36:115,2015. [Генетичні модифікації, пов'язані з алергійними захворюваннями.] СНашікгу А. Сопігої о£ іп Я а тта їіо п Ьу іпІе§гайоп о£ епуігоптепіаі сиез Ьу ге§и1аІогу Т сеііз / А. СЬаисІЬгу, А.У. Кисіепзку / / ] Сііп Іпуезі 123:939-944, 2013. [Вдумливе обговорення того, як регуля торні Т-клітини контролюють запальні реакції та підтримують гомеостаз в імунній системі.] СИеп^М.Н. Мопо§епіс аи іо ітти п ііу / М.Н. СЬеп§, М.5. Апсіегзоп / / Аппи Кеу І т т и п о ї 30:393-427, 2012. [Відмінний огляд аутоімунних синдромів, спричинених мутаціями окремих генів, і те, як вони роз кривають механізми імунної толерантності.] Сопіеу М.Е. Різсоуегу ої зіп§1е-§епе іпЬогп еггогз о£ іт т и п ііу Ьу пехі цепегаїіоп зедиепсіп§ / М.Е. Сопіеу, IX . Сазапоуа / / Сигг Оріп І т т и п о ї 30:17, 2014. [Огляд сучасних підходів до вивчення генетичних основ імунодефіцитних захворювань.] Сга(,і ].Е. Роїіісиїаг Ьеірег Т сеііз іп іт т и п ііу апсі зу зіетіс а и іо ітти п ііу / І.Е. Сга£і // N81 Кеу КЬеитаїоІ 8:337-347, 2012. [Обговорення властивостей популяції фолікулярних Т-хелперів та їх роль у продукування антитіл й аутоімунітеті.] Ооиек О.С. Е тег§іп £ сопсеріз іп ІЬе іттипораіЬоцепезіз о£ АГО5 / О.С. Ооиек, М. Коесіегег, К.А. Коир // Аппи Кеу Месі 60:471, 2009. [Виважене обговорення патогенезу СНІДу і ще невирішених проблем.] СаІІі 5.]. ТЬе сіеуеіортепі о£ а11ег§іс іп Я аттай о п / 51. Саііі // № 1иге 454:445, 2008. [Відмінний огляд механізмів розвитку запален ня при алергійних захворюваннях.] СаІІі 5./. ТЬе т а з і се11-І§Е рагасіох: {г о т Ь отеозіазіз Іо апарЬуІахіз / 51. СаІІі // А т ] РаіЬої 186:212, 2016. [Захоплююче обговорення еволюції реакцій тучних клітин та їх роль у захисті та виникненні захворювань.] СооіІпот С.С. Миііізіер раїЬо^епезіз о£ а и іо іт т и п е сіізеазе / С.С. Соосіпоте / / СеІІ 130:25, 2007. [Прекрасне обговорення ролі контрольних точок у запобіганні розвитку аутоімунних реакцій і чому ці механізми можуть порушуватись.] Ноі^аіе 5.Т. Іппаїе апсі асіарйуе і т т и п е гезропзез іп а зіЬ т а / 5.Т. Ноіцаїе / / № 1 Месі 18:673-683, 2012. [Комплексне обговорення ролі ТІі2-клітин, цитокінів та інших клітин імунної системи у роз витку і прогресуванні астми.] 1$С4-геІаІеА сіізеазе / У.5. МаЬа]ап, Н. Маїїоо, V. ОезЬрапсІе еі аі. / / Аппи Кеу РаіЬої 9:315, 2014. [Комплексне обговорення особливос тей і можливого патогенезу в контексті нещодавно встановлених фактів.] ]апсаг 5. І т т и п е сотр іех-тесііаіесі Йззие іп^игу: а ти ііізіер рагас1і§т / 8. Іапсаг, М. 8апсЬе2 Сгезро // Тгепсіз І т т и п о ї 26:48, 2005. [Резюме механізмів ушкодження тканин, опосередкованого імунними комплексами.] Ьаткапр М. М есЬапізтз апсі Іипсйопз о£ іп й а т т а з о т е з / М. Еаткапії, У М . Оіхії // СеІІ 157:1013, 2014. ]Відмінний огляд корегування інфламасом та їх ролі у розвитку запалення й імунного захисту.] Ьіи ї . Т а т іп § Іириз-а п е » ипсіегзіапсііпд о£ раїЬоцепезіз із 1еасІіп§ Іо сііпісаі асіуапсез / 2. Ьіи, А. Оауісізоп // N81 Месі 18:871-882, 2012. [Відмінний огляд останніх досягнень стосовно розуміння гене тики вовчака та ролі природжених й адаптивних імунних реакцій у патогенезі захворювання та як ці досягнення формують підходи до розроблення нових методів лікування.] Мавгіз О. МісгоЬіоІа апсі а и іо іт т и п е сіізеазе: ІЬе Ьозіесі зе1£ / О. МаїЬіз, С. Вепоізі / / СеІІ Нозі МісгоЬе 10:297-301,2011. [Огляд доказів того, що мікробіом впливає на імунну активацію та аутоімунітет, а також на значущість цих закономірностей для розвитку аутоімунних захворювань людини.] Маига%апі С.Р. 8]6§геп'з зупсіготе / С.Р. Мауга§апі, Н.М. МоизІзороиіоз / / Аппи Кеу РаіЬої 9:273, 2014. [Огляд патогенезу та клінічних особливостей синдрому Шегрена.] МИсНеІІ К.І\[. Сга£і уазсиїаг сіізеазе: і т т и п е гезропзе т е е із ІЬе уеззеї шаі! / КІМ. МіїсЬеІІ // Аппи Кеу РаіЬої 4:19, 2009. [Огляд механізмів, що призводять до патології судин при хронічному від торгненні трансплантата.] Моіг 5. РаіЬо§епіс т е с Ь а п ізт з о£ НІУ сіізеазе / 5. Моіг, Т.УУ. СЬип, A.8 . Раисі // Аппи Кеу РаіЬої 6:223, 2011. ]Обговорення сучасних концепцій механізмів, за допомогою яких ВІЛ спричинює синдром імунодефіциту.] Капкюеіі В./. Кеіесйоп о£ ІЬе кісіпеу аііоцгай / Б.|. №пкіуе11, 5.1. Аіехапсіег // N Еп§1 ] Месі 363:1451, 2010. [Відміний огляд механізмів приживлення та відторгнення алотрансплантатів і роз роблення нових стратегій щодо корекції реакцій відторгнення.] О'ЗНеа ].]. М есЬапізтз ипс1ег1уіп§ 1іпеа§е с о т т і ї т е п і апсі ріазйсіїу о£ Ьеірег С 04+ Т сеііз / ].]. О'ЗЬеа, Ш.Е. Раиі // 8сіепсе 327:1098, 2010. [Відмінний огляд процесів дозрівання та функцій субпопуляцій Т-хелперів і невизначеності у цій сфері знань.] ОИкига N. О еуеіортепі апсі таіпіепапсе о£ ге^иіаіогу Т сеііз / N. ОЬкига, У. Кііацаша, 5. 5ака§исЬі // І т т и п ііу 38:414-423, 2013. [Відмінний огляд молекулярних механізмів, іцо лежать в основі продукування, підтримання популяції та стабільності регулятор них Т-клітин.] Рапйеу 5. МісгоЬіаІ зепзіп§ Ьу Тоїі-Ііке гесеріогз апсі іпігасеїіиіаг писіеіс асісі зепзогз / 5. Рапсіеу, Т. К а»аі, 5. Акіга / / СоМ 5ргіп§ НагЬ Регзресі Віоі 7:а016246,2014. [Відмінний огляд рецепторів, які природжений імунітет використовує для розпізнання мікробів.] Ра11ю£епе$ів о£ апІіпеиІгорЬіІ су іо р іазтіс аиІоапйЬосіу-аззосіаІесІ зтаїї-уеззеї уазсиїійз / І.С. іеппеїіе, К.|. Раїк, Р. Ни еі аі. // Аппи Кеу РаіЬої 8:139-160, 2013. [Комплексний огляд клінічних і патологічних особливостей та патогенезу васкуліту дрібних судин.] РаіІЮ£епезІ5 о£ зу зіетіс зсіегозіз / В . Раїїапаік, М. Вгошп, B.С. РозІІеіЬшаіІе еі аі. // Ргопі Іт т и п о ї 6:272,2015. ]Обговорення сучасних концепцій патогенезу системного склерозу.] Ровіїте апсі пе§айуе зеїесйоп о£ £Ье Т сеІІ герегіоіге: тоЬаІ іЬутосуІез зее (апсі сіоп'ї зее) / Ь. Кіеіп, В. Куечузкі, Р.М. АНеп еі аі. / Иаі Кеу І т т и п о ї 14:377, 2014. [Обговорення механізмів дозрівання Т-клітин і центральної толерантності, що забезпечується тимусом.] Ргітагу іттипосіейсіепсіез: а гарісіїу є у о 1у і п § зіогу / N. РагуапеЬ, IX . Сазапоуа, Ь.Б. Моїагап^еіо еі аі. // ] А11ег§у Сііп І т т и п о ї 131:314-323, 2013. [Відмінний огляд нещодавно описаних первинних імунодефіцитних синдромів.] Зскіоагіг К.Н. Нізіогісаі оуєгуієш о£ іт т и п о іо р с а і Іоіегапсе / К.Н. 5сЬшагІ2 / / Соїсі 5ргіп§ НагЬ Регзресі Віоі 4:а006908, 2012. [Продумане резюме механізмів формування толерантності, експери ментальних досліджень, спрямованих на розкриття цих механізмів, та шляхи їх порушення, що призводять до розвитку аутоімунних реакцій.] Тік іп/іаттазотез апсі аи іоіп й аттаїогу зупсіготез / Ь. Вгосіегіск, О. Ое Иагсіо, В.5. Ргапкііп еі аі. // Аппи Кеу РаіЬої 10:395, 2015. ]Дискусія щодо ролі інфламасом при запальних захворюваннях.] ТІїе ТН17 раіітту апсі іп й а т т а їо гу сіізеазез о£ ІЬе іпіезйпез, 1ип§з, апсі зкіп / С.Т. \Уеауег, С.О. Еізоп, Ь.А. Роизег еі аі. // Аппи Кеу РаіЬої 8:477,2013. [Відмінний огляд походження і процесів дозрівання ТІі17-клітин та їх роль у розвитку аутоімунних й інших запальних захворювань.] Тзоков С.С. 5уз1етіс Іириз егуїЬетаїозиз / С.С. Тзокоз // N Еп§1 | Месі 365:2110, 2011. [Відмінний огляд клінічних особливостей і патогенезу системного червоного вовчака.] У\1езіепнагк С.Т. АА атуїоісіозіз: раїЬо^епезіз апсі іаг^еіесі іЬегаріез / С.Т. Ш езіегтагк, М. РапсігісЬ, Р. Ш езіегтагк // Аппи Кеу РаіЬої 10:321, 2015. [Відмінний огляд патогенезу та клінічних осо бливостей основних форм амілоїдозу.] Уісіога С.О. С егтіпаї сепіегз / С.О. Уісіога, М.С. Ииззепгшеі^ // Аппи Кеу І т т и п о ї 30:429-457, 2012. [Відмінний огляд структури і функцій гермінативних центрів та їх роль в антитільній відповіді й розвитку аутоімунних захворювань.] Vоі^Нї В.Р. Н и тап цепеїісз о££егз ап е те г§ іп § рісіиге о£ с о т т о п раїЬшауз апсі т е с Ь а п із т з іп а и іо іт т и п ііу / В.Р. Уоі^Ьі, C. Соїзараз / / Сигг Оріп І т т и п о ї 24:552-557,2012. [Обговорення генетичних асоціацій з аутоімунними захворюваннями та їх зна чення для розуміння патогенезу аутоімунних реакцій.] ипгаііеІіп$ ІЬе §епейсз о£ аи іо іт т и п ііу / Ь. 2епе\уісг, С. АЬгаЬат, Р.А. Ріауеіі еі аі. // СеІІ 140:791, 2010. [Оновлена інформація про наявність генів, відповідальних за аутоімунні захворювання, методи їх ідентифікації та їхнє значення.] Г Л А В А Пухлини О С Н О В Н И Й ЗМІСТ Номенклатура 196 Доброякісні пухлини З л о я к іс н і пухлини 196 1 96 Характеристика доброякісних і злоякісних новоутворень 198 Диференціація та анаплазія Локальна інвазія Метастазування 199 200 201 Епідеміологія пухлин 203 Поширеність злоякісних пухлин Екологічні чинники 204 204 Вік і злоякісні пухлини 206 Взаємозв'язок екологічних і генетичних чинників Онкогени 206 207 Підтримувальний ангіогенез Драйверні та пасивні мутації Уникнення імунного контролю Точкові мутації Інвазія і метастазування 208 208 Епігенетичні модифікації та пухлини 210 як передумова малігнізації Хімічні канцерогени Автономне забезпечення факторами Радіаційні канцерогени 212 гени - супресори росту пухлин 216 Порушення клітинного метаболізму Онкометаболізм 232 222 224 Ухиляння від апоптозу 23 1 Етіологія пухлин: канцерогенні агенти 237 Канцерогенез: багатостадійний процес 211 Ознаки злоякісних пухлин 211 росту 221 228 Пухлино-асоційоване запалення Нечутливість до інгібіторів росту: 205 Набуті фактори ризику Генетичні зміни при онкологічних захворюваннях 208 240 Вірусний і мікробний онкогенез 240 Клінічні аспекти неоплазій 245 Вплив пухлини на організм 245 Оцінювання ступеня анаплазії і визначення клінічної стадії раку 225 238 241 Лабораторна діагностика пухлин 247 Необмежений реплікативний потенціал (іммортальність) Пухлини посідають друге місце серед причин смерт ності в США, поступаючись лише захворюванням серцево-судинної системи. Вагомішим є навіть не факт відповідного рівня смертності, а спричинені неопластичним процесом супутні емоційні та фізичні страж дання. Пацієнти і суспільство часто запитують: «Чи є ліки від раку?» Відповідь на це просте запитання дуже складна, оскільки рак - не окреме захворювання, а комплекс багатьох фізіологічних розладів, спільною ознакою яких слугує абсолютна дисрегуляція рос ту. Певні онкологічні захворювання, такі як лімфома Годжкіна, є виліковними, інші (наприклад, карцинома підшлункової залози) - майже в усіх випадках призво дять до смерті. Єдина надія на успішний контроль над пухлинами полягає у поглибленому вивченні їх пато генезу, і вже докладено чимало зусиль, щоб зрозуміти молекулярне підгрунтя неоплазій. У цій главі обгово рюється фундаментальна біологія пухлин - структура доброякісних та злоякісних новоутворень, молеку лярні основи неопластичних трансформацій, а також наведена інформація про клінічні аспекти і реакцію організму на неошіазію. Перед обговоренням характерних особливостей пухлинних клітин та механізмів онкогенезу корисним буде стисле формулювання типових ознак пухлин. • Пухлина - генетичне порушення, спричинене мутаціями в ДНК. Більшість патогенних мутацій 226 або є результатом впливу мутагенів, або виникають спонтанно у процесі старіння організму. Крім того, поява пухлини часто пов'язана з епігенетичними змінами, такими як фокальне підвищення рівня метилювання ДНК, зміни в модифікаціях білківгістонів, що своєю чергою спричинене набутими мутаціями в генах, які регулюють такі модифікації. Зазначені генетичні й епігенетичні зміни впливають на процеси експресії чи функціонування ключових генів, що регулюють фундаментальні процеси жит тєдіяльності клітин - ріст, виживання та старіння. • Генетичні зміни в пухлинних клітинах є спадко вими і передаються дочірнім клітинам під час поділу клітин. Урешті-решт клітини, що уникну ли таких модифікацій, підлягають дарвінівському відбору - виживання «найсильніших»; напевно, це найважливіший науковий принцип у біології. Клітини з мутаціями, що забезпечують переваги в рості й виживанні, витісняють сусідні клітини і стають домінантними в усій популяції. На момент ініціації неопластичного процесу такі селективні переваги властиві лише єдиній окремій клітині, унаслідок чого всі пухлинні клітини є клоном (тобто походять від однієї материнської). Проте навіть не враховуючи моменту ініціації, шляхом дарвінівської селекції в цьому клоні продовжують виникати генетично дискретні субклони з набутими агресив 196 ГЛАВА 6 Пухлини нішими якостями, що зумовлює еволюцію пухлини й обговорюється як ключове поняття «прогресія» детальніше у цій главі. • Мутації та епігенетичні альтерації надають пух линним клітинам таких ознак, які в сукупності слугують крит еріями неопласт ичного процесу. Ці ознаки зумовлюють виникнення клітинних фенотипів, що впливає на динаміку онкологічних захво рювань та їхню відповідь на різні методи лікування. Молекулярні основи кожного із критеріїв розгляну то в наступних частинах цієї глави. Завдяки численним дослідженням вдалося встано вити багато із тих клітинних і молекулярних аномалій, що зумовлюють розвиток пухлин та їх перніціозний характер. Розуміння цього є тріумфальним кроком у розвитку біомедицини і революцією в діагностиці й лікуванні пухлин. Усі пухлини, доброякісні та злоякісні, мають два основні компоненти, такі як: (1) паренхіма, що склада ється із трансформованих, чи неопластичних, клітин; (2) строма - підтримувальний компонент, що походить із тканин організму і не є неопластичним; вона побудо вана зі сполучної тканини, кровоносних судин та клі тин, відповідальних за розвиток запалення. Паренхіма неопластичного утворення здебільшого визначає його біологічну характеристику і слугує компонентом, завдяки якому пухлина отримує свою назву. Строма відіграє ключову роль в її рості, оскільки містить кро воносні судини та підтримує ріст клітин паренхіми. Незважаючи на те що біологічна поведінка пухлини загалом відображає динаміку розвитку клітин парен хіми, було встановлено, що стромальні й неопластичні клітини взаємодіють між собою, впливаючи на ріст пухлини в цілому. Д оброякісні пухлини НОМЕНКЛАТУРА Неоплазія дослівно означає «нове утворення». Неопластичні клітини вважають трансформованими через те, що вони продовжують ділитися, очевидно, незважаючи на вплив регуляторних механізмів, що контролюють процеси життєдіяльності нормальних клітин. Неоплазії, у зв'язку із цим, мають певний рівень автономії і схильні збільшуватися незалежно від їх локального оточення. Проте така автономія не є абсолютною, оскільки залежить від поживних ресурсів та кровопостачання в організмі. Неоплазії, що виникли із гормонально активних тканин, часто потребують гормонального підтримання життєдіяль ності, і такі передумови існування можна використа ти у процесі лікування, у медицині неоплазії часто іменують пухлинами, а наука про пухлини отримала назву онкологія (від грец. опсоз - пухлина, Іо§оз - наука про). Розподіл новоутворень на доброякісні та зло якісні Грунтується на оцінюванні потенційної клініч ної поведінки пухлини. • Пухлина вважається д о б р о я к існ о ю , якщо її мікро скопічні та ростові характеристики є відносно нешкідливими для організму і свідчать про те, що пухлина залишиться локалізованою в одній ділянці й підлягає місцевому хірургічному ліку ванню. Пацієнти з такими пухлинами зазвичай виживають. Однак слід зазначити, що доброякісні пухлини можуть призводити до серйозніших, ніж просто локалізоване новоутворення, наслідків, іноді супроводжуються тяжкими ускладненнями і можуть слугувати причиною смерті. • Злоякісніст ь (що, власне, і є неоплазією) свідчить про те, що вогнище патологічних змін може охо пити та зруйнувати сусідні структури і пошири тися на відстань (метастазувати), зрештою призводячи до загибелі організму. Злоякісні пухлини отримали загальну назву рак; термін походить від латинського слова «краб», і подібно до цієї твари ни, вперто чіпляється за все, за що може вхопитися. Проте не всі пухлини так себе поводять у клінічно му аспекті. Деякі найагресивніші з них найкраще піддаються лікуванню, але все-таки факт злоякіснос ті є вагомим попередженням. Доброякісні пухлини називають за типом клітин, з яких вони утворені, із додаванням суфікса -ома. Наприклад, доброякісна пухлина, що походить із волокнистої сполучної тканини, це ф ібром а; із хря щової тканини - х он дром а. Складнішу та різноманіт нішу номенклатуру використовують для класифікації епітеліальних пухлин. Терміном «аден ом а» позна чають не лише доброякісні епітеаліальні неоплазії, утворені залозоподібними структурами, а й ті, що походять із залозистого епітелію, але відрізняються від залоз характером росту популяції клітин. Отже, доброякісну епітеліальну пухлину, що походить з епітеліоцитів ниркових канальців і має подібний до зало зистого епітелію характер росту, називають аденомою, як і скупчення доброякісних епітеліальних клітин з іншим характером росту, які походять із кори над ниркових залоз. П апілом а - доброякісна епітеліальна пухлина, що супроводжується формуванням мікро- й макроскопічних пальцеподібних утворів на будь-якій поверхні. П оліп - це утворення, що підвищується над поверхнею слизової оболонки та формує макроскопіч но видимі структури, наприклад у кишках (рис. 6.1). Попри те що цей термін здебільшого використовують для опису доброякісних пухлин, деякі злоякісні нео плазії можуть рости подібно до поліпів, тоді як інші поліпи (наприклад, у носовій порожнині) не є неопластичними, а розвиваються внаслідок запального процесу. Ц и ст аденом а - порожнисте, кістозне утво рення, що зазвичай виникає в яєчнику. Злоякісні пухлини Номенклатура злоякісних пухлин подібна до номен клатури доброякісних, із певними доповненнями та винятками. Злоякісні пухлини, що утворюються із «солідної» мезенхімальної тканини або її похідних, називають сарком ам и , а ті, що походять із клітин крові, - лімфомами, або лейкеміями. Саркоми класифікують за типом клітин, які їх утворюють, що, безсумнівно, характеризує вихідну окрему клітину. Так, злоякісна пухлина, побудована з атипових ліпобластів, отрима ла назву ліпосаркома, а пухлина, що складається із хондроцитогюдібних клітин, - хондросаркома. Оскільки Номенклатура Рис. 6 .1 . Поліп то в с то ї к и ш к и . Залозисте новоутворення частково розміщене у просвіті товстої кишки. Поліп прикріплений до слизової оболонки окремою ніжкою епітелій організму походить з усіх трьох зародкових листків, злоякісні неоплазії, що виникають з епітеліоцитів, називають карцином ам и незалежно від типу тканини, з якої вони розвиваються. Отже, усі зло якісні неоплазії, що виникають з епітелію ниркових канальців (мезодерма), шкіри (ектодерма) та плоского епітелію кишок (ендодерма), вважають карциномами, тобто раком. Водночас мезодерма може давати поча ток карциномам (епітеліальним), саркомам (мезенхімальним) та гематолімфоїдним пухлинам (лейкеміям та лімфомам). Карциному, що на зрізі подібна до залозистого епі телію, називають аденокарциномою, а ту, що утворена із плоского (сквамозного) епітелію, - плоскоклітинною кар циномою. Іноді вдається визначити тканину чи орган, з якої походить пухлина, наприклад, у терміні «нирко во-клітинна аденокарцинома», але певним пухлинам не властивий навіть незначний рівень диференціації. Такі пухлини належать до низькодиференційованих або недиференційованих карцином. Трансформовані клітини, як доброякісні, так і зло якісні, у неопластичному утворенні зазвичай подібні, мають спільне походження від єдиної трансформова ної клітини-попередника. Проте в деяких особливих випадках пухлинні клітини піддаються різноспрямованій диференціації, утворюючи так звані зм іш ані пухлини. Фактично ці пухлини мають моноклональне походження, але їх клітина-попередник здатна утво рювати клітини більше ніж однієї лінії. Найкращим прикладом слугує змішана пухлина привушної слин ної залози. Такі пухлини містять чітко виражені епіте ліальні клітини, розсіяні у фіброміксоїдній стромі, із поодинокими острівцями хрящової та кісткової тканин (рис. 6.2). Вважають, що всі різнорідні компоненти походять із єдиної трансформованої епітеліальної клітини-попередника, і такі неоплазії правильніше називати плеоморфними аденомами. Фіброаденома груд ної залози - ще один поширений випадок змішаної пухлини. Ця доброякісна пухлина містить проліфераційні залозисті компоненти (аденома), що розміщені в пухкій волокнистій сполучній тканині (фіброма). На відміну від плеоморфної аденоми, неопластичним є лише фіброзний компонент, але термін «фіброадено ма» широко застосовується. Тератома - особливий тип змішаної пухлини, що складається із добре виражених зрілих чи незрілих клі тин або тканин, які походять з одного або навіть з усіх трьох зародкових листків. Тератоми утворюються із плюрипотентних зародкових клітин, які в нормі лока лізуються в яєчниках чи яєчках, а в аномальних випад ках наявні в рудиментних ембріональних фрагментах серединної лінії. Ембріональні клітини здатні дифе ренціюватись у будь-який із типів юіітин дорослого організму; не дивно, що в такий спосіб вони можуть утворювати неоплазії, які містять хаотично розміщені компоненти, схожі на кісткову, м'язову, жирову ткани ну, епітелій, нервові волокна та інші тканини. Назви найпоширеніших пухлин представлені в табл. 6.1. Зверніть увагу на деякі виражені невідповід ності. Наприклад, терміни «лімфома», «мезотеліома», «меланома» та «єемінома» застосовують для позначен ня злоякісних новоутворень. На жаль, серед студентів такі аспекти термінології можуть не закріпитись. Є також інші приклади невідповідностей у медич ній термінології. Гамартома - скупчення дезорганізованої тканини, що чітко локалізована, наприклад, у легенях чи нирці. Незважаючи на те що в основі гамартом лежить при роджений фізичний дефект, як вважали раніше, було встановлено, що багато гамартом мають набуті внаслі док соматичних мутацій хромосомні аберації, і нині їх вважають результатом неопластичного процесу. 6 .2 . З м іш а н а п ух л и н а п р и в у ш н о ї с л инн о ї залози. Спостерігаються невеликі острівці епітеліальних клітин та міксоїдна строма, що формує хрящові й кісткові структури (незвичайна особли вість). (Люб’язно надано 0 г. V. ]о, йерапт епі о [ РаіНоІо§у, Вгіфат апсі Рис. \А/отеп'$ НозріїаІ, ВозГоп, Маззасіїизеиз.) 197 ГЛАВА 6 Пухлини Таблиця 6.1. Номенклатура пухлин Г іс т о г е н е з Д о б р о я к іс н а п у х л и н а З л о я к іс н а п у х л и н а Фіброма Фібросаркома Ліпома Ліпосаркома Хондрома Хондросаркома Остеома Остеосаркома I О дин тип клітин паренхіми Сполучна тканина та її похідні І Ендот елій т а пов’язані з ним типи клітин Кровоносні судини Гемангіома Ангіосаркома Лімфатичні судини Лімфангіома Лімфангіосаркома Мезотеліома Мезотелій Мозкові оболони Інвазивна менінгіома Менінгіома Клітини крові т а п ов’язані з ними типи клітин Гемопоетичні клітини Лейкемії Лімфоїдна тканина Лімфоми М ’язи Непосмуговані Лейоміома Лейоміосаркома Посмуговані Рабдоміома Рабдоміосаркома Плоскоклітинна папілома Плоскоклітинна або епідермоїдна карцинома Ш кіра Плоский епітелій Базальноклітинна карцинома Базальні клітини шкіри або її придатків Меланоцити Невус Злоякісна меланома Епітелій залоз і прот ок Аденома Аденокарцинома Папілома Папілярна карцинома Цистаденома Цистаденокарцинома Легені Аденома бронхів Бронхогенна карцинома Нирки Тубулярна аденома нирки Нирково-клітинна карцинома П ечінка Гепатоцелюлярна аденома Гепатоцелюлярна карцинома Сечовий міхур Уротеліальна папілома Уротеліальна карцинома П лацент а Міхуровий занесок Хоріокарцинома Семінома Ембріональна карцинома Яєчка Більше н іж один тип неопластичних клітин - змішані пухлини, щ о зазвичай походять з одного зародкового листка Слинні залози Плеоморфна аденома (змішана пухлина слинних залоз) Злоякісна змішана пухлина слинних залоз Пухлина Вільмса Ембріональний зачаток нирки Більше н іж один тип неопластичних клітин - тератогенні пухлини, щ о походять із більше н іж одногІГзародкового листка Поліпотентні клітини статевих залоз чи ембріональні залишки Зріла тератома, дермоїдна кіста Хористома - природжена аномалія, що являє собою гетеротопічне скупчення клітин. Наприклад, невелике вузлувате утворення добре розвиненої та організованої тканини підшлункової залози можна виділити із під слизового прошарку шлунка, дванадцятипалої кишки або тонкої кишки. Суфікс -ома, що позначає процес як неопластичний, надає цим утворенням надмірного значення, хоча насправді вони не представляють особ ливої загрози для організму. Незважаючи на те що номенклатура неоплазій заплутана і складна, її розуміння є надзвичайно важли вим, оскільки це мова, якою лікарі різних спеціальнос тей, залучених до лікування онкологічних захворювань, дискутують щодо походження та значення пухлин. Незріла тератома, тератокарцинома ХАРАКТЕРИСТИКА ДОБРОЯКІСНИХ І ЗЛОЯКІСНИХ НОВОУТВОРЕНЬ Існує три фундаментальні ознаки, що допомагають розрізнити злоякісні й доброякісні пухлини: дифе ренціація та анаплазія, локальна інвазія і метастазу вання. Швидкий ріст також характеризує злоякісність, проте багато злоякісних пухлин ростуть повільно, а отже, показник росту не є надійним критерієм для вста новлення межі між «добром» і «злом». Ніщо не може бути важливішим для пацієнта з пухлиною, ніж почу ти: «Вона доброякісна». Хоча багато пухлин вдається Характеристика доброякісних і злоякісних новоутворень легко охарактеризувати, у більшості випадків потрібно ретельно проаналізувати анатомічні й клінічні крите рії перед тим як визначати - злоякісним чи доброякіс ним є це утворення. Диференціація та анаплазія Диференціація - ступінь того, наскільки неоплазії за морфологічними та фукціональними ознаками подібні до клітин паренхіми, з яких вони походять; недостатню диференціацію називають анаплазією . Зазвичай доброякісні пухлини складаються із високодиференційованих клітин, що дуже нагадують нормальних «родичів». Ліпома містить зрілі жирові клітини, цитоплазма яких заповнена ліпідними вакуо лями, а хондрома - зрілі хондроцити, що синтезують звичайний хрящовий матрикс; це і є підтверджен ням морфологічної та функціональної диференціації. У високодиференційованих доброякісних пухлинах фігури мітозу трапляються рідко, а сам процес поділу клітин позбавлений особливостей. Злоякісні новоутворення також демонструють широкий діапазон диференціації клітин паренхіми, але більшість із них мають морфологічні ознаки, що підтверджують злоякісний характер росту. У висо кодиференційованих злоякісних пухлинах такі зміни можуть бути доволі нетиповими (рис. 6.3). Наприклад, високодиференційована аденокарцинома щитоподіб ної залози може містити нормальні фолікули і прояв ляти злоякісний характер лише в разі інвазії у прилеглі структури або метастазування. Строма, що забезпечує нормальне кровопостачання, відіграє ключову роль у розвитку пухлин, але не допомагає відрізнити злоякіс ні пухлини від доброякісних. Кількість сполучної тка нини зумовлює консистенцію новоутворення. Деяким злоякісним пухлинам властива значна кількість щіль ної волокнистої строми (десмоплазія), що робить їх щільними (наприклад, так званий скірозний рак). Пухлини, що складаються із недиференційованих клітин, вважають анапласт ичними; ця особли вість є надійним критерієм злоякісного характеру новоутворення. Рис. 6.3. Високодиф еренційована плоскоклітинна ка р ц и н о м а ш кіри. Пухлинні клітини напрочуд подібні до нормальних клітин плоско го епітелію, характеризуються наявністю міжклітинних містків і включень кератину (позначено стрілкою). (Люб'язно надано 0 г. Т. VУогге//, йераптепі о( РаіЬоІо§у, ІІпмегзіґу о[Техаз Иоиіїшезіегп МесІісаІ 5сЬоо/, 0 аііаз, Техаз.) Термін «анаплазія» дослівно означає «розвиток у зво ротному напрямку», тобто свідчить про дедиференці ацію або втрату структурної та функціональної специ фічності нормальних клітин. Лише тепер встановлено, що деякі види злоякісних новоутворень походять зі стовбурових клітин відповідних тканин; у цих пух линах порушення процесу диференціації трансфор мованих стовбурових клітин більшою мірою свідчить про виникнення анаплазії, ніж дедиференціація вже спеціалізованих клітин. Завдяки результатам останніх досліджень встановлено, що у процесі онкогенезу в деяких випадках відбувається дедиференціація явно зрілих клітин. Анапластичні клітини часто демонстру ють морфологічні ознаки, наведені нижче: • плеоморфізм (наприклад, відмінності розміру і фор ми; рис. 6.4); • аномалії ядра: надмірний гіперхроматизм (такі ядра мають темніше забарвлення); різні розміри та фор ма ядра; надмірно виражені одне чи кілька ядерець. Збільшення ядра може бути наслідком змін ядерноцитоплазматичного співвідношення, що становить 1:1 замість звичних 1:4 або 1:6. Ядерця можуть набу вати вражаючих розмірів, інколи сягаючи діаметра нормальних лімфоцитів; • утворення гігантських пухлинних клітин. Вони знач но більші за сусідні клітини і зазвичай мають одне величезне ядро або кілька ядер; • атиповий мітоз. Неорганізовані численні веретена поділу можуть формувати три- або тетраполярні фігури мітозу (рис. 6.5); • порушення полярності, коли анапластичні клітини втрачають властиву їм орієнтацію одна відносно одної. Ці клітини можуть рости пластами, із повним зникненням організованих спільних структур, таких як залози чи пошарова будова (як в епідермісі). Високодиференційовані пухлинні клітини зазвичай зберігають функціональні ознаки нормальних «роди чів», тоді як анапластичні клітини набагато рідше проявляють специфічну функціональну активність. Наприклад, гормональна активність доброякісних новоутворень і навіть високодиференційованих рако- Рис. 6.4. П л ео м о р ф н а зл оя кісна п ух л и н а (р а б д о м іо с а р к о м а). Зверніть увагу на чіткі відмінності розмірів клітин та ядер, гіперхромність ядер і наявність гігантських пухлинних клітин. (Люб'язно надано 0 г. Т. УУогге//, йераПтеп С о^ РаїМо^у, ІІпіуегзіґу о [ Техаз НомЬшезіегп Месіісаі ЗсЬооІ, йаііаз, Техаз.) 199 200 ГЛАВА 6 Пухлини Рис. 6.5. А н а п л а с ти ч н і п ух л и н н і кл іти н и із чи сл ен ни м и варі а ц ія м и р о зм ір у і ф орм и кл іти н т а я д е р (велике збільшення). Найпомітніша серед клітин, розташована у центрі поля зору, містить аномальне триполярне веретено поділу вих пухлин ендокринних залоз часто відповідає такій в інтактних клітинах, з яких вони походять. Так само високодиференційовані карциноми сквамозного епіте лію продукують кератин (див. рис. 6.3), а високодифе ренційовані гепатоцелюлярні карциноми секретують жовч. В інших випадках ракові клітини набувають непередбачуваних ознак. Деяким типам таких пух лин властива експресія фетальних протеїнів, що не продукуються аналогічними клітинами в дорослому організмі. Злоякісні новоутворення неендокринного походження можуть продукувати так звані ектопічні гормони. Наприклад, певні карциноми легень можуть синтезувати адренокортикотропний гормон, паратиреоїдні гормоноподібні сполуки, інсулін, глюкагон та ін.; більше інформації про «паранеопластичний» син дром наведено далі. Також доречним в обговоренні диференціації та анаплазії буде поняття «дисп лазія», тобто безладна проліферація. Диспластичний епітелій можна від різнити в разі порушення однорідної структури окремих клітин та їх архітектоніки. Диснластичні клітини проявляють значний плеоморфізм і часто міс тять аномально збільшене, гіперхромне ядро. Фігури мітозу численніші, ніж зазвичай, і часто змінюють локалізацію в товщі епітелію. У диспластичному бага тошаровому плоскому епітелії вони не обмежуються базальним шаром (місце звичайної локалізації), а можуть спостерігатися в усіх шарах епітелію. Окрім цього помітна просторова дезорганізація структурних елементів: наприклад, порушення звичного порядку прогресивного дозрівання високих клітин базального шару епітелію у сплющені лусочки на його поверхні, яке змінюється хаотичним скупченням темних клітин базального шару. Якщо диспластичні зміни значні й охоплюють усю товщу епітелію, таке патологічне яви ще називають карциномою іп зі їй, що є преінвазивною стадією раку (рис. 6.6). Слід зазначити, що дисплазія - це не те саме, що рак. Слабковиражені й помірні диспластичні зміни, які не охоплюють увесь епітелій, іноді повністю регресують, особливо в разі зникнення відповідних передумов. Незважаючи на це, дисплазію часто пов'язують із роз витком справжнього злоякісного процесу (наприклад, у курців із раком легень); загалом, наявність дисплазії тканини є критерієм підвищеного ризику інвазивного раку. Локальна інвазія Ріст злоякісних пухлин супроводжується прогре сивною інфільтрацією, інвазією та руйнуванням прилеглих тканин, тоді як більшість доброякісних пухлин мають вигляд цілісної експансивної маси, локалізованої в одному місці. Через те що добро якісні пухлини повільно ростуть і розвиваються, на периферії зазвичай утворюється щільна сполучна тка нина - капсула (рис. 6.7, 6.8). Вона складається пере важно із позаклітинного матриксу, в якому розміщені клітини строми, зокрема фібробласти, що активують ся при гіпоксії клітин паренхіми, спричиненій стис ненням пухлиною, що росте. Інкапсуляція зумовлює наявність у тканині каркасу, завдяки якому пухлина Рис. 6.6. К а р ц и н о м а іп $ііи: А - зображення при малому збільшенні: помітно, що всю товщу епітелію замінюють атипові диспластичні клі тини. Ознак диференціації клітин плоского епітелію немає. Структура базальної мембрани не порушена, у субепітеліальній стромі ріст пухлини відсутній. Б - зображення при великому збільшенні іншої ділянки: відсутність нормальної диференціації, чітко виражений ядерний і клітинний плеоморфізм та численні фігури мітозу, що досягають поверхні епітеліального шару. Базальна мембрана із неушкодженою структурою (нижче) не потрапила у препарат Характеристика доброякісних і злоякісних новоутворень не мають чітко вираженої капсули. Були випадки, коли злоякісна пухлина, що повільно росте, здається огорнутою стромою прилеглих тканин, але завдяки мікроскопії вдалося виявити, що пухлина, немов краб своїми маленькими клешнями, проникає крізь строму й інфільтрує суміжні структури. Такий характер росту злоякісної пухлини слід враховувати і проводити екс цизію (вирізання) із захопленням нормальних тканин, що оточують новоутворення. Патологи ретельно дослі джують краї видалених тканин на наявність пухлин них клітин (чисті краї). Метастазування Рис. 6.7. Ф іб р о а д е н о м а гр у д н о ї зал о зи . Пухлина пісочного кольору, інкапсульована, невеликого розміру, чітко відмежована від нормальної тканини залози Під терміном «м ет аст азування» розуміють поши рення пухлини на віддаль від місця первинної локалізації, що у будь-якому разі характеризує пух лину як злоякісну, оскільки, згідно із визначенням, і, N ' 4 І І * •' ^ ' *■ . Х ’/і г- ■ .. '&■: Я ... г*• Іш ІІ & ї у ш т р ц 1 ц ■і л:і •' .іЧ , *\. .• -• ■к. % / ШЩу '••/ СМ Рис. 6 .8 . М ік р о с к о п іч н е д о с л ід ж е н н я ф іб р о а д е н о м и гр у д н о ї залози , н а в е д е н о ї на рис. 6.7. Фіброзна капсула (праворуч) чітко відмежовує пухлину від прилеглої нормальної тканини. (Люб’язно нада но Ог. Т. \Уогге//, 0 ерагітепі оГ РаіЬоІо^у, Ііпіуегзіїу о ( Техаз 5оиіЬ\л/езІегп І І 2 а Рис. 6 .9 . З різ ін в ази в н о ї п р о то ко в о ї к а р ц и н о м и гр у д н о ї зал о зи . Патологічна ділянка стягує й інфільтрує прилеглі тканини залози; під час пальпації інфільтрат має дуже тверду консистенцію МесІісаІ 5сЬооІ, ОаІІаз, Техаз.) дискретна, рухома (не фіксована) і підлягає видален ню шляхом енуклеації. Проте слід зазначити, що не всі доброякісні пухлини інкапсульовані. Наприклад, лейомійома матки чітко відмежована від прилеглих непосмугованих м'язів зоною спресованого і стон шеного нормального міометрія, але не має капсули. Низка доброякісних пухлин або неінкапсульовані, або нечітко відмежовані; відсутність чіткого розмежуван ня особливо характерна для доброякісних неоплазій судин (наприклад, гемангіоми), видалення яких може бути досить складним. Ці винятки описано лише для того, щоб наголосити; попри те що доброякісні пух лини, як правило, мають капсулу, її відсутність не є критерієм злоякісності. На жаль, злоякісні пухлини, через їх агресивний характер, іноді не відповідають закономірностям, визначеним дослідниками. Ми ще зустрінемося з багатьма такими невідповідностями у цій главі. Як і метастазування, інвазивність - це характерна ознака, що дає змогу розрізняти злоякісні й добро якісні пухлини (рис. 6.9, 6.10). Злоякісні пухлини Рис. 6 .1 0 . М ік р о с к о п іч н е д о с л ід ж е н н я к а р ц и н о м и гр у д н о ї зало зи , н а в е д е н о ї на рис. 6.9. Спостерігається інвазія строми залози, а також жирової клітковини пухлинними клітинами, які ростуть у вигляді гнізд і тяжів (порівняйте із рис. 6 .8 ). Зверніть увагу на від сутність чітко вираженої капсули. (Люб'язно надано Ог. 5. ІЄ5Іег, Вгі§Ьат апсі У/отеп'з НозрііаІ, Возіоп, МаззасЬизеПз.) 201 202 ГЛАВА 6 Пухлини доброякісні пухлини не метастазують. Здатність до інвазії уможливлює проникнення злоякісних пухлин у кровоносні й лімфатичні судини та порожнини тіла, що є передумовою їх поширення (рис. 6.11). Зазвичай у майже ЗО % пацієнтів уже наявні клінічні ознаки метастазування під час діагностики солідних пухлин (за винятком ракових пухлин шкіри, окрім меланоми). Інші 20 % мають клінічно «приховані» метастази на момент встановлення діагнозу. Загалом, що більший розмір і вищий рівень ана плазії вихідної пухлини, то ймовірнішим є її метаста тичне поширення, але всі правила мають свої винятки. Надзвичайно малі злоякісні пухлини іноді метастазу ють; і навпаки, деякі великі та страхітливі новоутво рення - ні. Попри те що всі злоякісні пухлини здатні метастазувати, із деякими це трапляється досить рідко. Наприклад, базальноклітинні карциноми шкіри та більшість первинних пухлин ЦНС є високоінвазивними локально, але рідко метастазують. Очевидно, поняття «локальна інвазія» і «метастазування» іноді різняться між собою. Особливе місце посідає так званий рак крові, що включає лейкемії та лімфоми. Ці пухлини походять із кровотворних клітин, які в нормі здатні проникати в кровоносне русло й поширюватися на значні відстані; унаслідок цього, за винятком рідкісних випадків, лей кемії та лімфоми діагностують як дисеміновану пато логію і завжди вважають злоякісними. Злоякісні пухлини поширюються в організмі одним із трьох способів: (1) дисемінація в меж ах порожнини тіла; (2) лімфогенне поширення; (3) гематогенне поширення. Д исем інація шляхом обсім еніння можлива, коли неоплазії проникають у природну порожнину тіла. Такий спосіб дисемінації є специфічною ознакою раку яєчників, що часто уражує очеревину. «Імпланти» можуть вкривати всю поверхню очеревини і все-таки не проникати в тканини, розташо вані глибше. Це приклад того, що поняття «здатність до реімплантації та росту в ділянках, віддалених від місця локалізації первинної пухлини» відрізняється від інвазії. Пухлини ЦНС, такі як медулобластома й епендимома, можуть проникати у шлуночки головного моз ку та імплантуватись в оболони головного чи спинного мозку, будучи підхопленими потоком спинномозкової рідини (ліквору). Рис. 6.11. П е ч ін к а , у р а ж е н а м ета с та за м и р аку Л імф огенне поширення є більш характерним для карцином, тоді як гемат огенне властиве здебіль шого саркомам. З урахуванням того що лімфатична і кровоносна системи мають морфофункціональний взаємозв'язок, усі форми карцином можуть дисемінувати через одну або обидві зазначені системи. Ймовірність інфільтрації лімфатичного вузла раковими клітинами насамперед залежить від локалізації первинної рако вої пухлини та природних магістралей регіонарної лімфатичної системи. Карцинома ленень, що виникає у просвіті дихальних шляхів, перш за все метастазує в регіонарні бронхові і лише потім - у трахеобронхові та внутрішньогрудні лімфатичні вузли. Карцинома груд ної залози зазвичай утворюється у верхньому зовнішньо му квадранті й насамперед метастазує в пахвові лімфа тичні вузли. Проте пухлини медіальної ділянки грудної залози можуть проникати крізь грудну стінку і досягати лімфатичних вузлів, що розміщені за ходом внутрішньої грудної артерії. Після цього в обох випадках можлива інфільтрація під- та надключичних лімфатичних вузлів. У деяких випадках ракові клітини можуть інфільтрувати лімфатичні вузли за ходом лімфатичних проток, минаю чи безпосередньо близькі до місця локалізації первинної пухлини лімфатичні вузли; це явище отримало назву «скіп-меїпастаз». Ракові клітини можуть інфільтрувати всі лімфатичні вузли за ходом грудної лімфатичної про токи, щоб урешті-решт досягти кровоносного русла. «Сторожовий» лімфатичний вузол - це найближ чий регіонарний вузол, що першим «зустрічає» потік лімфи від первинної пухлини. Він може бути ідентифікований методом уведення синіх барвників чи мічених радіоактивних ізотопів поблизу первинної локалізації пухлини. Біопсія «сторожових» лімфатич них вузлів допомагає з'ясувати ступінь поширення пух лини і може бути критерієм вибору тактики лікування. Слід зазначити, що збільшення лімфатичних вузлів біля первинної пухлини, хоч і має викликати підозру стосовно її метастатичного поширення, але не завжди є критерієм залучення лімфатичних вузлів до неоплас тичного процесу. Біологічні продукти розпаду ново утворення та пухлинні антигени часто спричинюють імунну реакцію із боку лімфатичних вузлів, напри клад, гіперплазію лімфатичних фолікулів (лімфаденіт) та проліферацію макрофагів у маргінальних синусах (синусний гістіоцитоз). Т о м у потрібно проводити гістологічне дослідження пухлини в разі виявлення гіперплазії регіонарного лімфатичного вузла (вузлів). Гематогенний шлях поширення більш властивий для сарком, але й карциноми здатні так метастазувати. Як і очікували, пухлинні клітини менш інтенсивно проникають в артерії, ніж у вени. Потрапивши у веноз не русло, в якому кров тече за ходом вен, що дрену ють місце первинної локалізації неоплазії, пухлинні клітини часто осідають у першій капілярній сітці, яка трапляється на їхньому шляху. Оскільки всі елементи системи ворітної вени впадають у печінку, а вся кров із порожнистих вен потрапляє в легені, печінка й леге ні найчастіше є ділянками вторинної інфільтрації у процесі гематогенної дисемінації пухлинних клітин. Злоякісні пухлини, що розвиваються в ділянці хребта, часто проникають у просвіт судин паравертебрального сплетення; цим, напевне, зумовлений факт частого виникнення метастазів карцином щитоподібної залози та передміхурової залози у хребцях. Епідеміологія пухлин Окремі карциноми здатні рости в межах венозного русла. Нирково-клітинні карциноми часто проника ють у ниркову вену і змієподібно поширюються вверх за ходом нижньої порожнистої вени, іноді досягаючи правої половини серця. Гепатоцелюлярні карциноми нерідко проникають і ростуть у гілках ворітної та печін кових вен, урешті-решт потрапляючи в основні венозні магістралі. Досить дивно, але такий інтравенозний ріст може не супроводжуватися значною дисемінацією в органах. Результати багатьох досліджень підтверджують, що анатомічне розташування неоплазії та схема її венозно го дренажу не можуть повністю пояснити принцип сис темного поширення метастазів. Наприклад, карцинома передміхурової залози переважно метастазує в кісткову тканину, бронхогенна карцинома - у надниркові зало зи і головний мозок, нейробластома - у печінку й кіст ки. І навпаки, скелетн; м'язи, хоч і багаті на капіляри, рідко уражуються метастазами. Молекулярне підґрун тя таких особливостей імплантації пухлинних клітин в окремі тканини обговорюватиметься далі. Отже, деякі характерні особливості (рис. 6.12) дають змогу диференціювати доброякісні та злоякісні пухлини. РЕЗЮМЕ ХАРАКТЕРИСТИКА ДОБРОЯКІСНИХ І ЗЛОЯКІСНИХ НОВОУТВОРЕНЬ • Відрізнити доброякісні та злоякісні пухлини можна за ступ е нем диференціації, характером росту, локальною інвазивністю і дистанційним пош иренням. • Д о б р о якісн і пухлини зазвичай високодиф еренційовані й п о дібні до тканини, з якої вони походять; злоякісні пухлини низько- чи недиференційовані (анапластичні). • Д о б р о якісн и м пухлинам властивий повільний ріст, тоді як злоякісні пухлини переважно ш видко ростуть. • Д о б р о якісн і пухлини чітко обмежені й утворю ю ть капсулу; злоякісні пухлини мають розмиті ко нтури і здатні проникати у прилеглі інтактні тканини. • Д о б р о я кісн і пухлини зосереджені в одном у місці, тоді як для злоякісних характерні локальна інвазивність та віддалене ме тастазування. ЕПІДЕМ ІО ЛО ГІЯ П У Х Л И Н З'ясування поширеності пухлин у різних групах насе лення виявилося надзвичайно корисним для розумін ня їх причин. Завдяки результатам епідеміологічних досліджень було встановлено, що тютюнокуріння має причинно-наслідковий зв'язок із раком легень. Порівняння частоти раку товстої кишки залежно від особливостей харчування у країнах Заходу й Африці дало змогу з'ясувати, що жири та клітковина в раці оні відіграють не останню роль у виникненні цього типу пухлин. Завдяки епідеміологічним досліджен ням окремих екологічних, національних (можливо, спадкових) і культурних чинників, що впливають на частоту специфічних неоплазій, є можливість краще зрозуміти причини утворення пухлин. Певні захво рювання, наявність яких підвищує ризик розвитку пухлин, також дають ключ до пояснення патогенезу онкологічних захворювань. Подальше обговорення Ендометрій Маткова труба ДОБРОЯКІСНА (лейоміома) Дрібна Добре розпізнається Повільно росте Неінвазивна Не метастазує Високодиференційо вана ЗЛОЯКІСНА (лейоміосаркома) Велика Важко розпізнається Швидко росте з утворенням крововиливів і некрозу Локально-інвазивна Метастазує Низькодиференційована Рис. 6.12. П ор ів нял ьна х а р а к т е р и с т и к а д о б р о я к іс н о ї п ух л и н и м іо м етр ія (л сй о м іо м и ) і з л о я кіс н о ї п ух л и н и т а к о го сам ого п о х о д ж е н н я (л ей о м іо с а р ко м и ) 203 ГЛАВА 6 Пухлини спершу узагальнює сумарну частоту виникнення пух лин, що розкриває всю масштабність проблеми, а далі розглядає конкретні чинники, залежні від пацієнта та навколишнього середовища, що впливають на рівень схильності до онкологічних захворювань. Поширеність злоякісних пухлин За даними Всесвітньої організації охорони здоров'я (ВООЗ), станом на 2012 р. у світі щорічно реєструють близько 14,1 млн нових випадків злоякісних пухлин, що призводить до 8,2 млн летальних наслідків (при близно 22 500 смертей на день). Більше того, у зв'язку зі зростанням чисельності населення ВООЗ передбачає, що до 2035 р. кількість осіб зі злоякісними пухлина ми та смертність зростуть до 24 і 14,6 млн відповідно (враховуючи нинішній рівень смертності). Додаткові перспективи стосовно ймовірності розвитку окремих форм злоякісних пухлин можна визначити з урахуван ням показників смертності та випадків захворювання у межах нації. У США у 2016 р. було виявлено при близно 1,69 млн нових випадків злоякісних пухлин та зафіксовано 595 тис. смертей. Частота розвитку та най більш летальні типи злоякісних пухлин представлені на рис. 6.13. Протягом кількох десятиліть рівень смертності від різних типів злоякісних пухлин був надзвичайно мінливим. Із 1995 р. частота їх виявлення у чоловіків і жінок загалом була стабільною, але рівень смертності від онкологічних захворювань у чоловіків знизився приблизно на 20 %, у жінок - на 10 %. Серед чоловіків 80 % цього показника припадає на рак легень, перед міхурової залози та товстої кишки; серед жінок близь ко 60 % - за рахунок зменшення кількості летальних Чоловіки 84 390 3% Ротова порожнина 6% Щитоподібна залоза Печінка Товста і пряма кишка 13% Легені і бронхи 29% Грудна залоза 3% 3% 8% Сечовий міхур Нирки Підшлункова залоза Товста і пряма кишка Тіло матки Передміхурова залоза Лейкемія Негоджкінська лімфома Усі інші локалізації В плив навколишнього середовища є значущим фактором ризику виникнення багатьох типів зло якісних пухлин, а отже, при більшості онкологіч них захворювань ефективні превентивні заходи. Географічні відмінності рівня смертності від специфіч них типів злоякісних пухлин, можливо, грунтуються на особливостях впливу навколишнього середовища, що лише підтверджує цю точку зору. Наприклад, рівень смертності від раку грудної залози у США майже в 4-5 разів вищий, ніж в Японії. І навпаки, рівень смерт ності від раку шлунка у чоловіків і жінок в Японії при близно в 7 разів вищий, ніж у США. Гепатоцелюлярна карцинома відносно нечасто виникає у жителів США, але є найбільш летальним типом пухлин серед афри- Чоловіки 314 290 Меланома шкіри Нирки Екологічні чинники Жінки 843 820 Меланома шкіри Легені і бронхи наслідків від колоректального раку і раку грудної зало зи. Так, обмежене використання тютюнових виробів сприяло зниженню частоти смерті від раку легень, а завдяки вдосконаленій діагностиці й лікуванню зни жено рівень смертності від колоректального раку, раку передміхурової залози та грудної залози. Протягом другої половини XX ст. у США спостері галося значне зниження рівня смертності від раку шийки матки і шлунка. Зниження частоти раку шийки матки відбулося завдяки використанню цитологічної діагностики за Папаніколау (Пап-тест), що дає змогу виявити передракові й ракові клітини. Впровадження вакцини від вірусу папіломи людини здатне майже ціл ком усунути ризик цього захворювання найближчим часом. Причину зниження смертності від раку шлунка не визначено; можливо, це пов'язано зі зменшенням впливу на шлунок невідомих харчових канцерогенів. 3% 4% Лейкемія Негоджкінська лімфома 2 і % Усі інші локалізації Головний мозок Легені і бронхи Стравохід Печінка Підшлункова залоза Товста і пряма кишка Сечовий міхур Передміхурова залоза Лейкемія Негоджкінська лімфома Усі інші локалізації Ж інки 281 400 2% Головний мозок 26 % Легені і бронхи 14% Грудна залоза З % Печінка 7 о/0 Підшлункова залоза 8 0/0 Товста і пряма кишка 4% _ Тіло матки Яєчники Лейкемія З % Негоджкінська лімфома 24 % Усі інші локалізації Рис. 6.13. О ц ін ю в а н н я зах в о р ю в а н о с ті на р а к т а рівня см ер тн о сті у С Ш А з а л е ж н о від л о к а л іза ц ії п ухл и н і статі: А - частота виявлення злоякісних пухлин. Б - показники смертності від злоякісних пухлин. Виключено базальноклітинний та плоскоклітинний рак шкіри і карциному іп $ІІи, окрім сечового міхура. (За даними Сапсег (асїз & Я§иге5 2016. Атегісап Сапсег 5осіеіу. НУРЕКІЛЧК “ Ніірі/Лл/'лм.сапсег.ог^/ ге5еагсН/сапсег-йсі5-5іаІІ$ІІС5/аІІ-сапсег-1:асі5-%иге$/сапсег-їай5-Я§иге5-2016.ІіІтІ” і¥Уіоу.сапсег.ог£/ге5еагсЬ/сапсег-^асГ5-5ІаГІ5(/с$/аІ/-сапсег-^асґ5-^£иге5/ сапсег-[асІ5-[і§иге5-201б.їііті.) Епідеміологія пухлин ганського населення. Усі сучасні дані свідчать про те, що такі географічні відмінності, швидше за все, мають екологічне, а не генетичне підґрунтя. Нариклад, Нісей (друге покоління японців, які живуть у США) мають наближені рівні смертності від певних типів пухлин серед жителів Японії й американців, які жили в США протягом багатьох поколінь. Обидві цифри стають усе більш схожими із кожним поколінням. Екологічних чинників, що впливають на виник нення онкологічних захворювань, дуже багато. Вони «чатують» на нас у мінливому навколишньому середо вищі, на робочому місці, залежать від раціону та спо собу життя; можуть бути загальними для всіх (напри клад, сонячне світло) або зосередженими в межах міста (наприклад, азбест) чи стосуватися певних професій (табл. 6.2). Ключові екологічні чинники, пов'язані із виникненням злоякісних пухлин, перераховано нижче: • Раціон. Деякі особливості харчування вважають факторами підвищеної схильності до онкологічних захворювань. Ожиріння, що наразі набуло епіде мічних масштабів у США, асоціюється із помір ним зростанням ризику багатьох типів злоякісних пухлин. • Тютюнокуріння. Сигаретний дим впливає на виник нення раку ротової порожнини, глотки, гортані, стравоходу, підшлункової залози, жовчного міхура, а найбільше - легень, так як 90 % випадків смерті від раку легень пов'язані із тютюнокурінням. • Уживання спиртних напоїв. Зловживання спиртними напоями є окремим незалежним фактором ризику раку ротоглотки, гортані, стравоходу та печінки (унаслідок розвитку алкогольного цирозу). Більше того, алкоголь і тютюн взаємодоповнюють один одного стосовно підвищення ризику виникнення пухлин верхніх дихальних шляхів та верхніх відді лів травного тракту. • Репродуктивний анамнез. Існують достовірні дані, що постійний, протягом життя, вплив на організм кумулятивної естрогенної стимуляції, особливо якщо вона не врівноважується прогестероном, під вищує ризик раку ендометрія та грудної залози; тканини цих органів є чутливими до естрогенів. • Інфекційні агенти. Підраховано, що близько 15 % пухлинних захворювань у всьому світі спричинені збудниками інфекцій. Отже, здається, що виходу майже немає: усе, що ми робимо, щоб забезпечити своє існування чи просто насолоджуватися життям, виявляється неправильним, аморальним, калорійним і, що найгірше, - потенційно канцерогенним! Вік і злоякісні пухлини Ймовірність виникнення злоякісних пухлин із віком зростає. Більшість смертей унаслідок злоякісних пух лин трапляються в осіб віком 55 і 75 років; водночас рівень смертності від онкологічних захворювань піс ля 75-річного віку знижується. Підвищення частоти пухлин у процесі старіння, напевне, можна пояснити фактом накопичення соматичних мутацій, що є перед умовою виникнення злоякісних неоплазій (див. далі). Зниження рівня компетенції імунної системи, що супроводжує процес старіння, також може відігравати важливу роль. Незважаючи на те що злоякісні пухлини здебільшо го уражують старші групи населення, трохи більше ніж 10 % усіх смертей припадає на дітей віком до 15 років (глава 7). Найвищою летальністю у дітей супроводжу ються лейкемії, пухлини ЦНС, лімфоми та саркоми м'яких тканин і кісток. Далі описано, як дослідження певних онкологічних захворювань, характерних для Таблиця 6.2. Ракові захворювання, пов’язані із професійною діяльністю А генти чи група агентів Типи пухлин, причину яки х було доведено Типове застосування Миш’як та його сполуки Карцинома легень Карцинома шкіри Побічні продукти плавлення металів; компоненти сплавів, електричні й напів провідникові прилади, лікарські препарати та гербіциди, фунгіциди, дезінфек ційні засоби для тварин Азбест Карцинома легень, страво ходу, шлунка, товстої кишки; мезотеліома Раніше широко застосовували у зв’язку зі стійкістю до вогню, нагрівання і тертя; тепер використовують лише у вигляді негорючих тканин, фрикційних матеріалів (наприклад, гальмові накладки), кровельного картону та паркетних плит Бензин Гостра мієлоїдна лейкемія Основний компонент легких нафтопродуктів; незважаючи на відомий ризик, існує безліч прикладів застосування у друкарнях, літографічних майстернях і хімчистках, у фарбах, каучуках, клеях та покриттях, а також детергентах; рані ше широко використовували як розчинник і фумігант Берилій та його сполуки Карцинома легень Затверджувач сплавів легких металів, особливо актуальний в аерокосмічній про мисловості (ракетно-паливні й космічні кораблі) та ядерних реакторах Кадмій та його сполуки Карцинома передміхурової залози Застосовують як жовтий пігмент та люмінофор; виявлені у припоях; використо вують в акумуляторах, а також як сплав у металевих покриттях Сполуки хрому Карцинома легень Компонент металевих сплавів, фарб, барвників та консервантів Сполуки нікелю Карцинома легень, орофарингеальна карцинома Застосовують при нікелюванні; компонент феросплавів, кераміки та батарей; побічний продукт зварювання нержавіючої сталі Радон та продукти його розпаду Карцинома легень Вивільняється в результаті розпаду мінералів, що містять уран; потенційно не безпечний у кар’єрах і підземних шахтах Вінілхлорид Ангіосаркома печінки Холодоагент; мономер для вінілових полімерів; клей для пластмас; раніше за стосовували як інертне аерозольне паливо в герметизованих контейнерах 206 ГЛАВА 6 Пухлини дитячого віку (таких як ретинобластома), змінило фундаментальні погляди на патогенез злоякісної трансформації. Набуті фактори ризику До набутих станів, що підвищують вірогідність розвитку онкологічних захворювань, належать роз лади, спричинені хронічним запальним процесом, імунодефіцитом і передраковими захворюваннями. Багато хронічних запальних захворювань слугують підгрунтям для розвитку злоякісних пухлин (табл. 6.3). Пухлини, що виникають на тлі хронічного запалення, здебільшого є карциномами, але також можуть спосте рігатися мезотеліоми й окремі види лімфом. Водночас імунодефіцит переважно призводить до розвитку вірус-індукованих пухлин, зокрема деяких типів лім фом та карцином і саркомоподібної проліферації. П ередраковий ст ан - місцеве порушення диферен ціації епітеліальних клітин, що асоціюється із підвище ним ризиком розвитку карцином. Такий стан може бути вторинним стосовно хронічного запального процесу чи гормональних розладів (в ендокринно-чутливих тка нинах) або виникати спонтанно. Завдяки результатам молекулярних досліджень було з'ясовано, що в ділянках передракових змін часто можна виявити генетичні роз лади, які асоціюються із певними типами пухлин (див. далі). Проте передпухлинні процеси не завжди призво- дять до розвитку онкологічних захворювань, але важли во їх розпізнати, оскільки усунення чи корекція цих змін знижує ризик розвитку раку. Описано багато різних передракових станів, найпо ширенішими серед яких є: • Плоскоклітинт метаплазія і дисплазія слизової оболон ки бронхів, що трапляється в осіб, які курять (фактор ризику карциноми легень; глава 13). • Гіперплазія та дисплазія ендометрія, спричинена дис балансом естрогенів і прогестерону (фактор ризику карциноми ендометрія; глава 19). • Лейкоплакія ротової порожнини, вульви і статевого члена, що може прогресувати до плоскоклітинної карциноми (глави 15,18,19). • Ворсинчаста аденома товстої кишки, що асоціюється із високим ризиком колоректального раку (глава 15). Доречним буде запитання: «Який ризик малігнізації доброякісного новоутворення?», або, іншими словами: «Чи є доброякісні пухлини передраковими?» Загалом відповідь - ні, але, як завжди, існують винятки, тому правильним є твердження, що кожен тип доброякісної пухлини пов'язаний із відповідним рівнем ризику - від високого до мізерного. Як зазначено вище, аденома товстої кишки в разі збільшення здатна малігнізуватися із вірогідністю до 50 %; на відміну від неї лейомійома матки дуже рідко стає злоякісною. Взаємозв’язок екологічних і генетичних чинників Таблиця 6.3. Хронічні запальні процеси і рак Патологічний стан Асоційовані неоплазії Етіологічний чинник Азбестоз, силікоз Мезотеліома, карцинома легень Азбестові волокна, часточки кремнезему Запальні захворю вання К И Ш О К Колоректальна карци нома Аіхенізувальний склероз Плоскоклітинна карцино ма вульви Панкреатит Карцинома підшлункової залози Алкоголізм, мутації у лініях стовбурових клітин (наприклад, у межах гена, що кодує трипсиноген) Хронічний холе цистит Карцинома жовчного міхура Жовчні кислоти, бак терії, конкременти Рефлюкс-езофагіт, стравохід Барретта Карцинома стравоходу Кислота шлункового соку Хвороба Шегрена, тиреоїдит Гашімото МАІ_Т-лімфома Опісторхоз, холангіт Холангіокарцинома, кар цинома товстої кишки Гастрит/пептична виразка Аденокарцинома шлунка, МАІ_Т-лімфома НеІісоЬасґег руїогі Гепатит Гепатоцелюлярна кар цинома Вірусний гепатит В та/або С Остеомієліт Карцинома норицевих ходів Бактеріальна інфек ція Хронічний цервіцит Карцинома шийки матки Вірус папіломи людини Хронічний цистит Карцинома сечового міхура Шистосомоз Печінкові паразити (ОрІ5іНогсНІ5 у іу є г г і п і ) Злоякісні пухлини іноді проявляють себе як спадкова ознака в деяких родинах, що зазвичай пов'язано з мута ціями в лініях стовбурових клітин, які впливають на функціонування генів, відповідальних за пригнічення неопластичних процесів (так званий ген - супресор рос ту пухлин, див. далі). Що тоді можна сказати про роль спадковості у виникненні спорадичних злоякісних неоплазій, які становлять близько 95 % усіх пухлинних захворювань у жителів США? Якщо результати дослідження стверджують, що виникнення спорадичних пухлин значною мірою зумовлене екологічними або набутими чинниками, слід пам'ятати, що відсутність даних сімейного анам незу не виключає спадкового характеру захворювання. Насправді, дуже важко відокремити спадкові чинники від набутих генетичних, оскільки вони часто поєдну ються. Такі взаємозв'язки особливо складні, коли розви ток пухлини спричинений мутаціями в кількох генах. Більше того, генетичні чинники здатні впливати на ступінь ризику екологічно-індукованих онкологічних захворювань. Прикладом, що підтверджує цю точку зору, може слугувати явище спадкової варіації фермен тів, таких як компоненти системи цитохрому Р450, що метаболізує проканцерогени до їх активних форм. І навпаки, екологічні чинники можуть вплинути на сту пінь ризику виникнення злоякісних пухлин в осіб, які успадкували яскраво виражені «гени раку». Наприклад, серед жінок, які народилися після 1940 р. й успадкували мутовані копії «генів - супресорів раку» ВКСА1 чи ВКСА2 (див. далі), ризик виникнення раку грудної залози май же в З рази вищий, ніж у тих, які народилися пізніше, ймовірно, через зміни в статевій поведінці та зростання частоти ожиріння протягом останніх років. Онкогени ґ * РЕЗЮ МЕ ЕПІДЕМІОЛОГІЯ РАКУ ■ Рівень захворюваності на злоякісні пухлини залежить від віку, географ ічних чинників та ге нетичних передумов. Географіч ні відмінності частоти злоякісних новоутворень здебільшого спричинені різними умовами навколиш нього середовища. Злоякісні пухлини м ожуть виникати у будь-який період ж ит тя, але ризик усе-таки вищ ий в осіб старш ого віку. • Екологічними чинниками канцерогенезу є інф екційні агенти, тю тю нокуріння, уживання сп ир тни х напоїв, нераціональне харчування, ож иріння, репродуктивний анамнез та вплив канцерогенів. • Ризик злоякісних пухлин зростає в певних органах і тка н и нах на тлі посиленої проліферації, сп р ичине н ої хр о нічни м запальним процесом або гормональною стимуляцією. • П окривни й епітелій може зазнавати морф ологічних змін, що зумовлюють підвищ ений ризик розвитку раку; такі п о р уш е н ня називають передраковими станами. • Взаємодія е кол огічних і ге нетичних чинників впливає на сту пінь ризику виникнення о н ко л о гічн и х захврювань. ОНКОГЕНИ Можна стверджувати, що чисельність літературних дже рел стосовно молекулярних основ пухлин навіть пере вищила кількість самих злоякісних пухлин. Як науков ці, так і студенти можуть запросто розгубитися перед неймовірним розмаїттям інформації. Проте цілком оче видним є той факт, що пухлина - це захворювання, спричи нене мутаціями, які змінюють функцію кінцевої підмножини із 20 000 генів людини. Для спрощення ми називатимемо гени, що зумовлюють розвиток пухлин, онкогенами. Онкогени можна визначити як гени злоякісних пухлин, в яких періодично здійснюються генетичні альтерації; ймовірно й те, що вони безпосередньо впливають на злоякісний характер пухлинних клітин. Мутації, що призводять до утворення онкогенів, можуть виникати на тлі дії чинників навколишнього середовища (таких як хімікати, радіація чи віруси), або бути спонтанними, або успадковуватись у межах лінії стовбурових клітин. Якщо ці мутації спричинюють онкогенез, ключовим твердженням є таке: кожна клітина в окремій пухлині має ті самі мутації, що були наявними у вихідній клітині на момент трансформації. Таке уявлення підтвердило ся під час систематичного аналізу всіх пухлин шляхом генетичного секвенування і стало доказом того, що пух лина, по суті, це - генетична хвороба. Нараховують сотні онкогенів, і їх усе ще продовжу ють відкривати. Онкогенів не просто багато, але є й такі, абревіатури яких неможливо вимовити та запам'ятати навіть професіоналу. Єдиний шлях спростити інфор мацію - це вважати, що онкогени належать до одного із чотирьох основних функціональних класів: • Онкогени - гени, які індукують трансформований фенотип, коли експресія стимулює ріст клітин. Найважливішим відкриттям у вивченні пухлин стало усвідомлення того, що онкогени є варіанта ми нормальних генів клітин - протоонкогенів, які зазнають мутацій чи надмірної експресії. Більшість онкогенів кодують фактори транскрипції - чинни ки сигнальних шляхів, що посилюють ріст, або чин ники, які збільшують шанси клітин на виживання. Такі гени вважають домінантними, оскільки мута ція, що виникає в одному алелі, здатна призвести до проонкогенного ефекту. • Гени - супресори росту пухлин - гени, які зазвичай запобігають неконтрольованому росту, і в разі їх мутацій чи ушкодження виникає можливість розви тку трансформованого фенотипу. Переважно ушко джуються обидва нормальні алелі генів - супресорів росту пухлин, щоб відбулася така трансформація. • Гени, що регулюють апоптоз, насамперед підвищують шанси клітин на виживання, а не зумовлюють влас не проліферацію. Зрозуміло, що гени, які запобіга ють апоптозу, часто зазнають надмірної експресії в пухлинних клітинах, тоді як гени, що зумовлюють апоптоз, майже не експресуються або функціональ но інактивовані мутаціями. • До цього переліку можна віднести гени, що регулю ють взаємодію пухлинних клітин і клітин організму, які також піддаються регулярним мутаціям та функціонально модифікуються при певних типах злоякісних пухлин. Дуже важливе значення мають гени, що стимулюють або пригнічують розпізнаван ня пухлинних клітин імунною системою організму. Здебільшого мутації, що призводять до виникнення неоплазій, є набутими протягом життя та зосереджені лише в пухлинних клітинах. Однак іноді вони успадко вуються в межах лінії зародкових клітин, а отже, наяв ні в кожній клітині організму, що зумовлює високий ризик виникнення пухлин. Зрозуміло, що в родинах, в яких мутації в лінії зародкових клітин переходять із покоління в покоління, пухлини проявляють себе як спадкова ознака (табл. 6.4). У цій главі ми розглянемо Т аб лиц я 6.4. Генетична схильність до пухлин С п ад ко в е захворю вання / синдром Г е н (и ) Дутосом но-дом інантні пухлино-асоційовані синдроми Ретинобластома кв Синдром Лі—Фраумені (різні типи пухлин) ТР53 Меланома С 0Ш 2А Сімейний аденоматозний поліпоз кишок/рак товстої кишки АРС Нейрофіброматоз 1-го та 2-го типу №1, N1=2 Пухлини грудної залози та яєчників ВКСА1, ВКСА2 Поліендокринні неоплазії 1 -го та 2-го типу М ЕЖ , Р.ЕТ Спадковий неполіпозний рак товстої кишки МВН2, М Ш 1 , М5Н6 Синдром невоїдної базальноклітинної карциноми РТСН1 Аутосомно-рецесивні синдроми із дефектами репарації Д Н К Пігментна ксеродерма Різноманітні гени, що беруть участь у репаративному видаленні дефектних нуклеотидів Атаксія-телангіектазія АТМ Синдром Блума вш Анемія Фанконі Багато різних генів, що беруть участь у репаративному зши ванні ДНК ГЛАВА 6 Пухлини важливі сімейні пухлинні синдроми, пов'язані з ними гени і типи пухлин. Наступною темою є обговорення різноманітних генетичних альтерацій, що лежать в основі змін екс пресії та функціонування онкогенів. ГЕНЕТИЧНІ ЗМІНИ ПРИ ОНКОЛОГІЧНИХ ЗАХВОРЮВАННЯХ Генетичні зміни в пухлинних клітинах варіюють від точкових мутацій, що охоплюють лише конкретні нуклеотиди, до значних аберацій, які здатні призвес ти до зміни структури цілої хромосоми. При певних новоутвореннях генетичні зміни не є випадковими й описані як високоспецифічні. Специфічні хромосомні аберації було виявлено при переважній більшості лейкемій та лімфом; їх усе частіше ідентифікують у пухли нах негемопоетичного походження, тоді як іншим пух линам властиві конкретні точкові мутації. Вважають, що всі періодичні генетичні зміни призводять до порушення активності одного чи більше онкогенів, унаслідок чого уражені клітини набувають селектив них переваг, які, можливо, і зумовлюють виникнення характерних ознак злоякісних новоутворень. Драйверні та пасивні мутації У наступних частинах цієї глави ми стисло розгляне мо основні типи мутацій у пухлинних клітинах, але спершу зазначимо важливий аспект драйверних та пасивних мутацій. Д рай верні м у т ац ії - це мутації, що змінюють функцію онкогенів і тим самим безпо середньо зумовлюють розвиток або прогресування певної пухлини. Вони зазвичай є набутими, як зазна чалося раніше, але в деяких випадках успадковуються. На відміну від драйверних, пасивні м ут ац ії - це набуті мутації, що не мають яскраво вираженого адаптивного значення і не впливають на життєдіяльність клітин, отже, не є стратегічно важливими. Через те що пасивні мутації виникають випадково, вони розсіяні по гено му, тоді як драйверні мутації концентруються в межах онкогенів. На сьогодні доведено, що пасивні мутації за кількістю значно перевищують драйверні в клітинах тих злоякісних пухлин, які виникли внаслідок впливу канцерогенних агентів, таких як меланома і пов'язаний із тютюнокурінням рак легень. Незважаючи на їх, здавалося б, «невинну природу», пасивні мутації визнали важливими в кількох випадках: • У канцерогенасоційованих пухлинах за допомогою мута ційного аналізу отримано безсумнівний доказ того, що переважна частина ушкоджень геному спричинена відповідним канцерогенним агентом. Наприклад, до того моменту, як було здійснено секвенування геному меланоми, стосовно канцерогенної ролі сонячного проміння точилися суперечки. Зараз такі дебати припинилися, оскільки більшість меланом мають тисячі мутацій, специфічно пов'язаних із ушкодженням, спричиненим ультрафіолетовим випромінюванням. • Другий, більш згубний ефект пасивних мутацій полягає в тому, що вони утворюють генетичні варіанти, які спо чатку є нейтральними, а згодом можуть спричинити появу пухлинних клітин із селективним впливом під час лікування. Це підтвердилося при секвенуванні ДНК пухлин у стадії рецидиву після проведеної меди каментозної терапії; у багатьох випадках мутації, що безпосередньо призводять до медикаментозної резистентності, можна виявити в більшості пухлин них клітин. Такі самі мутації, відповідальні за резис тентність, можна ідентифікувати і перед початком лікування, але в дуже малій кількості клітин, у цих випадках селективний вплив терапії призводить до «перетворення» нейтральної пасивної мутації на драйверну, що зумовлює пухлинну прогресію та несприятливий прогноз для пацієнта. Точкові мутації Точкові мутації можуть активувати або інактивувати білковий продукт експресії мутантних генів залежно від їх точної локалізації та послідовності. Точкові мута ції, що зумовлюють перетворення протоонкогенів на онкогени, загалом призводять до того, що білковий продукт експресії набуває невластивих йому функцій унаслідок змін в амінокислотних залишках у доме ні, який у нормі контролює активність цього білка. Яскравим прикладом такого явища є точкові мутації, що призводять до перетворення генів КА8 на онкогени; це найчастіше трапляється під час розвитку пухлин у людини. І навпаки, точкові мутації (як і масштабніші аберації, наприклад, інсерції та делецїї) у генах - супресорах росту пухлин обмежують або блокують функцію кодованого білка. ТР53 - класичний «сторожовий» ген-супресор (див. далі) - найчастіше зазнає точкових мутацій. П ерегрупування генів Перегрупування (від англ. геаггащетепі) генів може виникати внаслідок хромосомних транслокацій чи інверсій. Ці специфічні аберації тісно пов'язані з пев ними злоякісними пухлинами, зокрема з неоплазіями, що походять із гемопоетичних або інших мезенхімальних клітин. Такі перебудови здатні активувати протоонкогени двома шляхами: • Деякі генні мутації можуть призводити до над мірної експресії протоонкогенів, виводячи їх з-під контролю нормальних регуляторних меха нізмів і зумовлюючи вплив невідповідного, висо коактивного промотора, чи активатора. Два різні типи В-клітинної лімфоми є наочними прикладами цього механізму. Більше ніж у 90 % випадків лімфо ми Беркітта в клітинах зазвичай відбувається транслокація між хромосомами 8 та 14, що призводить до надмірної експресії генів МУС у хромосомі 8 шляхом безпосереднього зближення з регулятор ними елементами гена, який кодує важкі ланцюги імуноглобулінів у хромосомі 14 (рис. 6.14). При фолікулярній лімфомі реципрокна транслокація між хромосомами 14 та 18 призводить до надмірної експресії антиапоптичного гена ВСЬ-2 у хромосо мі 18, також керованої регуляторними елементами гена імуноглобуліну. • Інші онкогенні перебудови призводять до виник нення гібридних генів, що кодують не властиві організму химерні білки. Найвідомішою є філа дельфійська (рН) хромосома при хронічній мієло- Генетичні зміни при онкологічних захворюваннях НОРМАЛЬНІ ХРОМОСОМИ ХРОНІЧНА МІЄЛОЇДНА ЛЕЙКЕМІЯ Локус вен Гібридний ген АВІ-ВСК - Онкоген АВІ Інгібітор тирозин-кінази Тирозин- Активація сигнального фактору росту НОРМАЛЬНІ ХРОМОСОМИ 8 14 ЛІМФОМА БЕРКІТТА 8 14 Ген/Є Онкоген Підвищення рівня онкопротеїну МУС МУС Посилена експресія генів росту Рис. 6.14. Х р о м о с о м н і т р а н с л о ка ц ії т а асоц ій о в ані о н к о ге ни при х р о н іч н ій м ієлоїдній л е й к е м ії і лімф ом і Б е р к іт та їднш лейкемії, що складається з рівномірної реципрокної транслокації між хромосомами 9 та 22 (див. рис. 6.14). Як результат, модифікована хромосома 22 (філадельфійська хромосома) виявляється меншою, ніж у нормі. Така цитогенетична зміна спостеріга ється у понад 90 % випадків хронічної мієлоїдної лейкемії і призводить до злиття частин гена ВСК хромосоми 22 та гена АВЬ хромосоми 9. У деяких випадках, коли філадельфійської хромосоми немає, пухлинні клітини містять прихований (цитогенетично латентний) ВСК-АВЬ гібридний ген, наяв ність якого є обов'язковим критерієм хронічної мієлоїдної лейкемії. Далі розглядається явище, коли ВСК-АВЬ гібридний ген кодує не властивий для організму фермент тирозинкіназу із потенційною трансформувальною активністю. Неопластичні новоутворення лімфоїдної ткани ни найчастіше зумовлені рекурентними генними мутаціями. Такий зв'язок існує через те, що нормаль ні лімфоцити експресують специфічні ферменти, які цілеспрямовано спричиняють розриви ДНК під час рекомбінації генів імуноглобуліну чи рецепторів Т-лімфоцитів. Репаративні процеси в ушкоджених ДНК зазвичай ненадійні, і помилки, які виникають унаслідок цього, іноді призводять до генних мутацій, що активують протоонкогени. Два інші типи мезенхімальних пухлин - мієлоїдні новоутворення (гострі мієлоїдні лейкемії та мієлопроліферативні синдроми) і саркоми - часто характеризуються такими самими генними мутаціями, але на відміну від лімфоїдних неоплазій, причина розриву ДНК невідома. Генні мутації при цих типах пухлин призводять до утворення гібрид них генів, які кодують або гіперактивні тирозинкінази (схожі із ВСК-АВЬ), або не властиві організму онкогенні фактори транскрипції. Яскравим прикладом зазначе ного вище явища є транслокація (11;22) (ц24;ц12), що спостерігається при саркомі Юїнга. Така генна мута ція спричинює утворення гібридного гена, що кодує химерний онкопротеїн, який складається із частин двох різних факторів транскрипції - Н\-\'5 та РІЛ1. Ідентифікація патогенного перегрупування генів при карциномі не є поширеним методом діагностики, так як під час аналізу каріотипу видимі транслокації та інверсії (що визначають локалізацію важливих онкогенів) трапляються рідко. Незважаючи на це, секвенування ДНК так само дало змогу виявити рекурентне приховане патогенне перегрупування генів при карци номах. Як і в разі гематологічних неоплазій та сарком, перегрупування генів при солідних пухлинах може призвести до канцерогенезу шляхом підвищення екс пресії онкогену або шляхом утворення не властивого організму гібридного гена. Приклади будуть наведені разом з описом окремих типів пухлин у відповідних частинах глави. Як й у випадку з гібридним геном ВСКАВЬ, деякі з гібридних генів у солідних пухлинах також є мішенями таргетних лікарських препаратів (напри клад, ЕМЬ-АЬК при карциномі легень; глава 13). Аелецїі Делеції - ще одна поширена аномалія в пухлинних клітинах. Делеції специфічних локусів хромосом можуть призвести до втрати конкретного гена супресора росту пухлин. Зазвичай причиною кан церогенезу є інактивація обох алелів гена-супресора. Поширений механізм цього явища полягає у виник ненні точкової мутації, яка інактивує один алель, що призводить до видалення іншого, немутантного алеля. Як зазначено нижче, делеції, що включають 13 ц і4 (локалізація гена КВ), асоціюються із ретинобластомою, а делеція 17р пов'язана із втратою ТР53 - можливо, най важливішого гена - супресора росту пухлин. А м пл іф ікації Протоонкогени можуть перетворюватися на онкогени шляхом ампліфікації, із наступною гіперекспресіею та гіперактивністю нормальних білків. Такий процес може призвести до утворення кількох сотень копій гена; кількість копій можна визначити методом молекулярної гібридизації за допомогою відповідних ДНК-зондів. у деяких випадках проце си генної ампліфікації можуть спричинити зміни у хромосомах, які ідентифікуються під час мікроскопії; можна виявити два несумісні патерни - множинні маленькі, позахромосомні структури, які називають подвійними дрібними хромосомами, й гомогенно забарв лені ділянки. Останні зумовлені вставками ампліфікованих генів у нові локуси хромосом, що можуть 210 ГЛАВА 6 Пухлини розміщуватися на віддалі від уражених генів; через те що ділянки з ампліфікованими генами не мають звичної посмугованості, вони виглядають гомоген ними у С-забарвлених каріотипах. До двох клінічно важливих прикладів генної ампліфікації належать ген N,/№¥0 при нейробластомі та ген НЕК2 при кар циномі грудної залози. Ампліфікація гена N ^ ^ 0 спостерігається у 25-30 % випадків нейробластоми і зазвичай має несприятливий прогноз (рис. 6.15). Ампліфікація НЕК2 (також відома як ЕКВВ2) тра пляється у майже 20 % випадків карциноми грудної залози, і використання антитіл проти рецептора, що кодується геном НЕК2, виявилось ефективним для лікування цієї групи пухлин. Анеуплоїдія Анеуплоїдія - наявність такої кількості хромосом, що не кратна гаплоїдному (одинарному) набору; для людини це число хромосом, що не кратне двадцяти трьом. Вона особливо поширена при різних онко логічних захворюваннях, зокрема при карциномах, у зв'язку із чим ще 100 років тому була висунута гіпотеза щодо анеуплоїдії як причини канцерогене зу. Анеуплоїдія часто виникає внаслідок помилок у функціонуванні контрольної точки веретена поді лу - найважливішого регуляторного механізму клі тинного циклу, що запобігає необоротному переходу реплікованих хромосом до анафази, аж поки кожна з них не прикріпиться кінетохорами до мікротрубочок веретена поділу. Відсутність контрольної точки вере тена поділу призводить до швидкої загибелі клітини внаслідок аномальної сегрегації хромосом. Гомогенно - забарвлена ділянка Ген АМ УС О О „ Подвійні дрібні чЗ хромосоми ^ ф О) Рис. 6 .1 5 . А м п л іф ік а ц ія ге н а Л//МУС у н е й р о б л а с т о м і л ю д и н и . Ген N/VIV'С, який за нормальних умов локалізований на хромосо мі 2 р, зазнає ампліфікації і може локалізуватися на позахромосомних структурах або є інтегрованим у хромосому у вигляді гомогенно забарвленої ділянки. Інтеграція також можлива з іншими аутосомами, наприклад, 4, 9 чи 13. (Зі змінами С М . Вгоіїеиг, Я.С. 5ее§ег, Н. ЗаіЬег еі аі.: СІІпісаІ ітріісаііопз о ( опсо§епе асііуаііоп іп Ьитап пеигоЬІавіотаз. Сапсег 58:541, 1986. Кергіпіесі Ьу регтіззіоп о [ ЩІеу-Изз, Іпс, а виЬзісІіагу о[]оНп Щ Іеу & 5опз, Іпс.) М ік р о Р Н К і пухлини Як обговорювалось у главі 1, мікроРНК - це некоду вальні одноланцюгові молекули РНК, приблизно 22 нуклеотиди в довжину, що функціонують як інгібіторні регулятори генів. Вони є постранскрипційними інгібіторами експресії генів шляхом пригнічення про цесів трансляції, або, у деяких випадках, розщеплення матричної РНК (мРНК). З огляду на їх важливу роль у регуляції росту, диференціації та виживанні клітин, недивно, що велика кількість фактів свідчать про те, що мікроРНК також можуть зумовлювати процеси онкогенезу. Кажучи більш конкретно, якщо мішенню РНК є ген - супресор росту пухлин, тоді надмірна активність мікроРНК здана пригнічувати білковий продукт експресії цього гена. Такі мікроРНК часом називають опсотІКз. І навпаки, якщо мікроРНК при гнічує трансляцію онкогену, то зменшення кількості чи зниження функції таких мікроРНК призводитиме до надлишкового синтезу продукту експресії онко гену. Існування таких взаємозв'язків уже доведено завдяки профілюванню мікроРНК кількох злоякісних пухлин людини. Наприклад, дисрегуляція чи делеція певних мікроРНК при деяких лейкеміях та лімфомах призводить до надмірної експресії гена ВСЬ-2 - антиапоптичного гена; отже, ці мікроРНК функціонують як гени - супресори росту пухлин. Процеси дисрегуляції інших мікроРНК, що контролюють експресію онкоге нів КА5 та МУС, також були виявлені при злоякісних пухлинах легень і певних субтипах В-клітинних лімфом відповідно. Епігенетичні модифікації та пухлини СО % У Було досить складно отримати дані щодо анеу плоїдії як причини канцерогенезу, а не його наслід ку. Проте завдяки статистичним методам стало можливим шляхом детального аналізу пухлинних клітин довести (що й очікувалось), що анеуплоїдія призводить до збільшення кількості копій ключових онкогенів та зменшення кількості високоактивних пухлинних супресорів. Наприклад, саме у хромосо мі 8, яка майже ніколи не руйнується і часто наявна серед збільшеної кількості копій у пухлинних клі тинах, локалізується онкоген МУС. На відміну від цього ділянки хромосоми 17, де розташований ген ТР53, часто ушкоджуються. Таким чином, розвиток злоякісної пухлини та її прогресування можуть бути зумовлені зміною кількості хромосом, що збільшують частку онкогенів, водночас обмежуючи активність генів - супресорів росту пухлин. Із матеріалу глави 1 можна пригадати, що епігенетика належить до оборотних процесів експресії генів, що виникають незалежно від мутацій. Такими вважають посттрансляційні модифікації гістонних білків та метилювання ДНК, кожен з яких впливає на експре сію генів. У нормальних, диференційованих клітинах більша частина геному не має експресії. Такі ділянки геному інактивовані метилюванням ДНК і модифіко ваними гістонними білками. З іншого боку, пухлинні клітини характеризуються масштабним гіпометилюванням ДНК та селективними промотор-локалізованими процесами гіперметилювання. Більше того, протягом кількох останніх років було встановлено, Ознаки злоякісних пухлин що гени - супресори росту пухлин іноді частіше інактивуються під впливом гіперметилювання послі довностей промоторів, аніж мутацій. Окрім того, про цеси гіпометилювання, що охоплюють увесь геном, як виявилося, призводять до нестабільності хромосом й можуть спричиняти виникнення пухлин у мишей. Отже, епігенетичні зміни можуть впливати на онкогенез багатьма шляхами. Ретельне секвенування геному неоплазій дало змогу ідентифікувати мутації в генах, які регулюють епігенетичні модифікації у багатьох злоякісних пухлинах. Таким чином, певні генетичні зміни в пухлинних клітинах можуть бути селектив ними, оскільки вони призводять до альтерації «епігеному», що зумовлює ріст пухлинних клітин та їх виживання. Епігенетичний статус окремих типів клітин (або епігенетичний контекст) також зумовлює відповідь на сигнали, що регулюють ріст і диференціацію. Як зазначалося раніше, епігенетичні модифікації регу люють експресію генів, уможливлюючи появу різних зовнішніх ознак та функцій у клітин з однаковим гене тичним складом (наприклад, нейрона і кератиноцита). У деяких випадках вони сильно змінюють реакцію клі тини на сигнали, що за інших обставин є ідентичними. Наприклад, ген МЗТСНІ відіграє онкогенну роль при Т-клітинній лімфомі, але функціонує як ген-єупресор при плоскоклітинній карциномі. Як і передбачалось, така подвійна дія можлива завдяки тому, що активо ваний ген КОТСН1 запускає гени - активатори росту в попередниках Т-клітин і гени - супресори росту пух лин у кератиноцитах. РЕЗЮ МЕ ГЕНЕТИЧНІ ЗМІНИ ПРИ О Н КО ЛО ГІЧНИ Х ЗАХВОРЮВАННЯХ Мутації в пухлинних клітинах належать до двох основних категорій: драйверні (патогенні) та пасивні (нейтральні). Пасивні мутації можуть трансформуватись у драйверні, якщо здійснюється селективний вплив на пухлину, напри клад, під час лікування ефективним терапевтичним лікар ським засобом. Пухлинні клітини можуть зазнавати драйверних мутацій кількома шляхами, включаючи точкові мутації та закономір ні хромосомні аберації, що спричинюють малігнізацію; до них належать перегрупування генів, делеції та ампліфікації. Перегрупування генів (що зазвичай спричинене транслокаціями, іноді інверсіями або складнішими процесами) зумов лює розвиток пухлини шляхом гіперекспреси онкогенів та покоління не властивих організму гібридних білків із моди фікованою сигнальною активністю. Делеції часто уражують гени - супресори росту пухлин, тоді як генні ампліфікації підвищують рівень експресії онко генів. Надмірна експресія мікроРНК здатна спричинити онкогенез, знижуючи рівень експресії генів - супресорів росту пухлин, тоді як делеція чи порушення експресії мікроРНК може призвести до гіперекспресії протоонкогенів. Гени - супресори росту пухлин і гени, відповідальні за ре парацію ДНК, можуть бути інактивовані епігенетичними модифікаціями, що являють собою оборотні зміни експре сії генів, спричинені не мутаціями, а метилюванням промотора. КАНЦЕРОГЕНЕЗ: БАГАТОСТАДІЙНИЙ ПРОЦЕС На щастя, у більшості, якщо не в усіх випадках, жодна єдина мутація не спроможна трансформувати нор мальну клітину в пухлинну. Отже, канцерогенез - це багатоступінчастий процес, спричинений накопи ченням численних генних мутацій, що в сукупності призводять до виникнення трансформованого фено типу та всіх асоційованих із цим процесом ознак (див. далі). Як зазначалося раніше, наявність драйверних мутацій при деяких передпухлинних станах, що не мають непластичного характеру, підтверджує необхід ність додаткових мутацій для можливості переходу в явний онкопатологічний процес, тобто ця точка зору є правильною. Окрім ініціації неопластичного процесу з єдиної вихідної клітини важливо встановити, чи пухлинні клітини і далі зазнають дарвінівської селекції, про довжуючи видозмінюватися (рис. 6.16). Доведено, що в процесі розвитку злоякісні пухлини стають агресив нішими та набувають більш вираженого злоякісного потенціалу; це явище називають пухлинною прогресією. На молекулярному рівні прогресування пухлини най частіше спричинене мутаціями, що накопичуються окремо в різних клітинах. Деякі із них можуть бути летальними, тоді як інші здатні впливати на функціо нування онкогенів, унаслідок чого уражені клітини стають більше здатними до росту, виживання, інвазії, метастазування чи протидії імунній системі. У зв'язку із цим селективним впливом субклони, що набули таких мутацій, можуть домінувати на конкретній ділянці первинної пухлини або місцях її метастазування. У результаті безперервних мутацій та дарвінівської селекції, навіть попри те що злоякісні пухлини на початку були моноклональними, як правило, вони стають генетично гетерогенними на момент появи клінічних ознак. У пізній стадії, якій властива вира жена нестабільність геному, генетична гетерогенність злоякісних пухлин може сягати неймовірного рівня. Явище генетичної еволюції, зумовленої дарвінівською селекцією, може пояснити дві найбільше виражені ознаки злоякісних пухлин: схильність протягом часу ставати агресивнішими та менше реагувати на терапію. Отже, генетична гетероген ність є ключовою не лише для пухлинної прогресії, а й для ефективності лікування. Досвід показує: якщо злоякісна пухлина знову росте після хіміотерапії, вона майже завжди резистентна до первинної схеми меди каментозної терапії в разі її повторного застосуван ня. Експериментальні дані свідчать, що така набута резистентність спричинена розростанням субклонів, в яких, за збігом обставин, виникають нові мутації (чи епігенетичні альтерації), зумовлюючи медикаментозну резистентність. ОЗНАКИ з л о я к іс н и х п у х л и н Наведений огляд може слугувати фундаментом для детальнішої дискусії щодо молекулярного патогенезу злоякісних пухлин. Як зазначалося раніше, нарахову ють щонайменше кілька сотень справжніх онкогенів. 211 212 ГЛАВА 6 Пухлини Накопичення мутацій Канцерогеніндукована мутація Додаткові мутації Домінування субклонів Додаткові мутації Діагноз Нормальна клітина Ініційована клітина-попередник із властивостями стовбуровоподібних клітин Ініційована мутація Утворення ракової Набуті ознаки злоякісності Генетично гетерогенний рак Прогресивна генетична гетерогенність Рис. 6.16. П о с ту п о в и й р о з в и то к р а к у ш л ях о м н а ко п и ч е н н я к о м п л е м е н т а р н и х д р а й в е р н и х м у та ц ій . Послідовність виникнення драйверних мутацій ще не встановлена і може варіювати при різних пухлинах Незважаючи на те що прийнято описувати функції онкогенів для кожного окремо, виявлення величезної кількості мутантних генів під час секвенування гено му пухлинних клітин не підтвердило цю точку зору і продемонструвало, що спроби визначити фундамен тальні властивості пухлин, зосереджуючись окремо на кожному гені, неперспективні. Набагато гнучкішою та переконливішою теоретичною гіпотезою щодо біології раку є врахування фенотипових та біологічних влас тивостей пухлинних клітин у комплексі. Тоді виявля ється, що для всіх злоякісних новоутворень характерні 8 фундаментальних змін у фізіології клітин, які прий нято вважати критеріями злоякісного росту (рис. 6.17). Такі зміни включають: • автономне забезпечення факторами рості/; • нечутливість до інгібіторів росту; • порушення клітинного метаболізму; • ухилянння від апоптозу; • необмежений реплікативний потенціал (іммортальність); Уникнення імунного контполю Підтримання поліферативних сигналів Порушення « « г.-л клітинного е ш метаболізму * Ухиляння від апоптоз Підтримувальний ангіогенез Автономне забезпечення факторами росту Іммортальність Запалення, індуковане пухлиною Активація інвазії та метастазування Нестабільність геному (мутантний фенотип) Рис. 6.17. Вісім к р и те р іїв зл о я кіс н о го п р о ц е су і д в а с ти м у лю вальних ч и н н и к и (нестабільність ге н о м у т а п у х л и н о а с о ц ій о в а н и й зап альний п р о ц е с ). Більшість ракових клітин набу вають таких властивостей у ході свого розвитку, зазвичай у результаті виникнення мутацій у ключових генах. (За 0. НапаЬап, К.А. VУеіпЬег§: НаІІтагк5 о[сапсег. іїіе пехі §епегаііоп, СеІІ 144:646, 2011.) • підтримувальний ангіогенез; • інвазію та метастазування; • уникнення імунного контролю. Генетичні й епігенетичні альтерації, що зумовлю ють такі властивості, можуть бути посилені запаленням та нестабільністю геному, оскільки ці чинники призво дять до трансформації клітин і подальшого прогресу вання пухлини. Мутації в генах, що регулюють деякі чи всі зазначені характеристики, можна виявити в усіх типах злоякісних пухлин; відповідно, ці ознаки формують фундамент для подальшого обговорення молекулярних перед умов виникнення злоякісних пухлин. Зверніть увагу, що буквенні позначення генів виділено курсивом на відміну від їх білкових продуктів (наприклад, ген КВ, але протеїн КВ, ген ТР53 та р53, ген МУС та МУС). Автономне забезпечення факторами росту Автономність процесів росту, що характеризує пух линні клітини, зумовлена мутаціями, які посилюють функції і трансформують протоонкогени в онкогени. Онкогени кодують білки, які називаються онкопротеїнами і зумовлюють ріст клітин навіть за відсутності нормальних факторів росту. Щоб оцінити, наскільки онкогени є важливими у процесах неадекватного рос ту клітин, корисним буде стислий опис послідовності явищ, що характеризують нормальну проліферацію (див. главу 1). у фізіологічних умовах проліферація складається з таких етапів: • Зв'язування молекули фактору росту зі специфіч ним рецептором на плазматичній мембрані. • Тимчасова й обмежена активація рецептора факто ру росту, що своєю чергою активує кілька білків сигнальних трансдукторів, розміщених на внутріш ній поверхні плазматичної мембрани. • Проходження трансдукованого сигналу через цитозоль до ядра за допомогою вторинних месенджерів чи послідовності молекул сигнальних трансдукторів. • Індукція й активація ядерних регуляторних факто рів, що ініціюють і регулюють процеси транскрип ції ДНК та біосинтезу інших компонентів клітин, Ознаки злоякісних пухлин необхідних для поділу, наприклад, органел, мемб ранних структур і рибосом. • Ініціація та подальше проходження фаз клітинного циклу, результатом чого є поділ клітин. Механізми, що наділяють пухлинні клітини здат ністю до проліферації, можна класифікувати відпо відно до ролі, яку вони відіграють у каскаді реакцій сигнальної трансдукції, індукованої факторами росту, та регуляції клітинного циклу. Більше того, кожен із перерахованих процесів у пухлинних клітинах може бути порушеним. Ф акт о р и рост у Злоякісні пухлини можуть продукувати власні фак тори росту або стимулювати їх виділення клітина ми строми із мікрооточення. Більшість розчинних факторів росту синтезуються одним типом клітин і діють на сусідні клітини, у такий спосіб стимулюючи проліферацію (ппракринш реакція), у нормі клітини, що продукують фактори росту, не синтезують відповід ний рецептор, запобігаючи формуванню позитивного зворотного зв'язку в межах однієї клітини. Пухлинні клітини можуть порушувати це «правило» кількома шляхами. • Деякі пухлинні клітини набувають автономнос ті в процесах росту, оскільки здатні синтезувати фактори росту, до яких вони чутливі. Наприклад, значна кількість гліобластом продукують РОСР й експресують РОСР-рецептор, а багато сарком здатні до утворення ТСР-а й відповідного рецептора. Такі аутокринні цикли доволі поширені при багатьох типах пухлин. • Інший механізм, завдяки якому пухлинні клітини набувають автономності, - це взаємодія зі стромою. У деяких випадках вони передають сигнали з метою активувати нормальні клітини у прилеглій стромі, які своєю чергою продукують фактори росту, що стимулюють ріст пухлин. Рецептори ф акт орів рост у Наступна група в послідовності процесів сигнальної трансдукції - це рецептори факторів росту. Деякі з них характеризуються тирозинкіназною активністю, індукованою зв'язуванням із фактором росту, тоді як інші передають сигнали, стимулюючи активність син тезованих білків. Існує величезна кількість рецепторів факторів росту, більшість яких стають онкопротеїнами в разі їх мутації чи гіперекспресії. Найкраще описа ним прикладом гіперекспресії є сімейство рецепторів епідермального фактору росту (ЕСР). ЕКВВ1, пред ставнику цього сімейства, властива гіперекспресія у 80 % випадків плоскоклітинної карциноми легень, 50 % або більше випадків гліобластом і 80-100 % - при епі теліальних злоякісних новоутвореннях голови та шиї. Як зазначалося раніше, ген НЕК2 (ЕКВВ2), що кодує відповідний рецептор, є ампліфікованим у близько 20 % випадках карциноми грудної залози і меншою мірою - при аденокарциномі легень, яєчників, шлунка та слинних залоз. Такі ракові пухлини високочутли ві до мітогенних ефектів, зумовлених недостатньою кількістю факторів росту. Важлива роль НЕК2 у пато генезі ракових захворювань грудної залози чітко про демонстрована клінічним ефектом, визначеним у ході блокування позаклітинного домена цього рецептора за допомогою анти-НЕК2 антитіл; це вдалий приклад такого явища в медицині, коли результати досліджень безпосередньо використовують для розроблення нових методів лікування. В інших випадках активність тирозинкінази зумов лена точковими або малими індельними мутаціями, що призводять до прихованих, але функціонально зна чущих змін у структурі синтезованих білків, або пере групування генів, що спричинює утворння гібридних генів, які кодують химерні рецептори. У кожному з випадків мутантні рецептори є постійно активними і передають мітогенні сигнали клітинам навіть за від сутності факторів росту. Такі типи мутацій найбільше поширені при лейкеміях, лімфомах та деяких типах сарком. Сигнальні білки-т рансдукт ори Пухлинні клітини часто стають автономними у про цесах росту внаслідок мутацій у генах, що кодують компоненти низхідних сигнальних шляхів рецепторів факторів росту. Сигнальні білки, що з'єднують рецепто ри факторів росту з відповідними ядерними мішенями, активуються лігандним зв'язуванням із рецепторами факторів росту. Передача сигналів до ядра здійснюється за допомогою різних молекул, що відіграють роль сиг нальних трансдукторів. Два важливих онкопротеїни, які належать до категорії сигнальних молекул, - КА5 та АВЬ. Стислий огляд кожного з них поданий далі. КА5 НА 5 - найпоширеніший мутантний онкоген, виявле ний у пухлинах людини. Приблизно ЗО % усіх пухлин людини містять мутантні гени КА5, а при деяких зло якісних новоутвореннях трапляються навіть частіше (наприклад, аденокарцинома підшлункової залози). Онкопротеїн КА8 належить до класу малих протеї нів С, що зв'язують гуанозинові нуклеотидні сполуки гуанозинтрифосфат (ГТФ) і гуанозиндифосфат (ГДФ). Передача сигналу за допомогою КАЗ складається з таких послідовних етапів: • У нормі онкопротеїни ЕА5 переходять від активного стану, коли вони здатні передавати сигнал, до неактив ного, і навпаки. В неактивних КАЗ, зв'язаних із ГДФ, при стимуляції клітин такими факторами росту, як епідермальний фактор росту (ЕСР) та РОСР, ГДФ перетворюється на ГТФ, що спричиняє подальші конформаційні зміни, які зумовлюють активацію КАЗ (рис. 6.18). Однак цей генерований активний стан є короткочасним, оскільки гуанозинтрифосфатаза (ГТФаза) гідролізує ГТФ до ГДФ, вивільняючи фосфатну групу та повертаючи КАЗ до неактив ного ГДФ-зв'язаного стану. Активність ГТФази, пов'язаної з активацією КАЗ, значно посилюється під впливом ГТФаза-активізаційних протеїнів (англ. САР), що функціонують як інгібіторні молекули і запобігають неконтрольованій активації КАЗ, спри яючи гідролізу ГТФ до ГДФ. • Активований онкопротеїн ВАЗ кількома взаємо пов'язаними шляхами стимулює діяльність низхідних регуляторів проліферації, що діють на ядро й призводять до змін в експресії генів, які регулюють ріст, наприклад МУС. Незважаючи на те що деталі сигнальних кас кадів (деякі з них наведено на рис. 6.18) низхідного ГЛАВА 6 Пухлини Фактор росту Рецептор фактору росту Фарнезильнии нний фактор гідролізу ГТФ, а отже, регуляції КА8. Більше того, САР нейрофібромін-1 (№Р1) зазнає мутацій при сімейній схильності до нейрофіброматозу 1-го типу (глава 22) і є, по суті, справжнім супресором росту пухлин. Так само інший важливий супресор РТЕN слугує негативним інгібітором РІЗ-кінази і часто зазнає мутацій при кар циномах, окремих лейкеміях та інших типах пухлин. АВЬ Містковий білок Активатори Інактивація шляхом гідролізу ГТФ І---------- А кти в н и й КА5 _______ І_______ РІЗкіназа “ Т“ тТОК ■+• Активація транскрипції Онкопротеїн МУС Продовження клітинного циклу Рис. 6 .1 8 . С х е м а а к т и в а ц ії К А 5 . Коли нормальні клітини стиму люються через рецептор фактору росту, неактивний (ГДФ-зв’язаний) ВАЗ переходить в активний ГТФ-зв’язаний стан. Активований КА5 передає проліферативні сигнали до ядра двома способами: КАРЕКК-МАР-кіназним шляхом та РІЗ-кіназним/АКТ-сигнальним шляхом. ГАФ - гуанозиндифосфат; ГТФ - гуанозинтрифосфат; МАРК - мітогенактивована протеїн-кіназа; РІЗ - фосфатидилінозитол-3 шляху КА5 тут не обговорюються, важливо наголо сити, що мутаційна активація цих сигнальних посе редників імітує ефекти активації КА5. Наприклад, мутації гена ВКАР, які лежать в основі так званого КАР-ЕКК-МАР-кіназного шляху, спостерігаються більше ніж у 60 % випадків меланом і зумовлені неконтрольованою проліферацією. Мутації фосфа тидилінозитол-3 кінази (РІЗ-кінази) РІЗ-кіназногоАКТ-сигнального шляху також часто трапляються при деяких типах пухлин, супроводжуючись таки ми самими наслідками. КА8 найчастіше активується під впливом точко вих мутацій у послідовностях амінокислотних залиш ків, локалізованих у межах ГТФ-зв'язувального домена або ферментативних ділянок, які відповідають за гідроліз ГТФ. Обидві мутації спричинені порушенням функції ГТФ, необхідного для інактивації КА5. Отже, КА5 переходить в активовану, ГТФ-асоційовану форму, і клітина починає безупинну проліферацію. Із цього положення випливає, що мутації, пов'язані із втратою функції САР, мають зімітувати ефект активізаційних мутацій у КА5, що призведе до порушення стимуляції Декілька нерецепторних тирозинкіназ функціонують як сигнальні білки-трансдуктори. У цій групі протоонкопротеїн АВЬ найкраще охарактеризований стосовно онкогенезу. Протоонкопротеїн АВЬ має тирозинкіназну актив ність, що гальмується негативним регуляторним впли вом внутрішніх доменів. Як обговорювалося раніше (див. рис. 6.14), при хронічній мієлоїдній лейкемії та деяких типах гострих лейкемій частина гена АВЬ пере міщається із ділянки її нормального розташування на хромосомі 9 на хромосому 22, де з'єднується із кластерною точкою гена ВСК. Утворений гібридний ген кодує гібридний онкопротеїн ВСК-АВЬ, що містить домен АВЬ тирозинкінази і домен ВСК, який призводить до виникнення конститутивної (постійної) тирозинкіназної активності. Слід зазначити, що ВСК-АВЬ активує усі сигнали низхідного шляху КА5, що робить його потужним стимулятором росту клітин. Ключова роль ВСК-АВЬ була підтверджена клінічним ефектом терапії ВСК-АВЬ-кіназними інгібіторами у пацієнтів із хронічною мієлоїдною лейкемією. Аналог цього препарату, іматинібу мезилат (Сіееуес), викликав інтерес щодо розроблення медикаментозних засобів, мішенню яких є специфічні молекулярні ушкодження, виявлені при різних типах пухлин (так звана таргетна терапія). ВСК-АВЬ також є прикладом такого явища, як онкогенна аддикція (схиль ність), при якому пухлина цілком залежна від окремої сигнальної молекули. Утворення гібридного гена ВСКАВЬ є раннім, швидше за все, ініціювальним етапом, що призводить до лейкемоїдогенезу. Розвиток лейкемії, ймовірно, потребує виникнення інших додаткових мутацій, але трансформована клітина продовжує зале жати від ВСК-АВЬ, а саме від сигналів, що опосеред ковано впливають на її ріст та виживання. ВСК-АВЬасоційовану передачу сигналів можна розглядати як центральну вісь, навколо якої формується трансфор мований статус. Якщо вісь усунути пригніченням ВСКАВЬ-кінази, структура руйнується. Унаслідок такого рівня залежності не дивно, що набута резистентність пухлин до інгібіторів ВСК-АВЬ часто трапляється як результат утворення субклону із мутацією гена ВСКАВЬ, що запобігає зв'язуванню молекули препарату з онкопротеїном ВСК-АВЬ. Я д е р н і ф акт ори т р а н с к р и п ц ії Кінцевим результатом передачі сигналу через такі онкопротеїни, як КА5 чи АВЬ, є неадекватна та безпе рервна стимуляція ядерних факторів транскрипції, що зумовлюють експресію генів - промоторів росту. Отже, автономний ріст може бути наслідком мутацій генів, що регулюють транскрипцію ДНК. Інформаційний носій онкопротеїнів, до яких належать білкові продук ти онкогенів МУС, МУВ, /НА/, РОЗ та КЕЬ, функціону ють як фактори транскрипції, регулюючи експресію Ознаки злоякісних пухлин генів - промоторів росту, таких як цикліни. Серед перерахованих онкогенів МУС найбільше поширений у пухлинах людини. Дисрегуляція М У С сприяє онкогенезу, одночасно стимулюючи поділ клітин унаслідок активації клі тинного циклу і посилюючи метаболізм, що забезпе чує ріст клітин. МУС насамперед функціонує як акти ватор процесів транскрипції інших генів. До таких генів належать декілька генів - промоторів росту, включаючи циклінзалежні кінази (англ. СОК), білкові продукти яких зумовлюють початок клітинного циклу (див. далі), та гени, що регулюють метаболічні процеси, за допо могою яких синтезуються структурні елементи клітини (наприклад, амінокислоти, ліпіди, нуклеотиди), необ хідні для росту й поділу. Як зазначалось раніше (див. рис. 6.14), дисрегуляція МУС зумовлена транслокацією (8;14) у разі лімфоми Беркітта - дуже агресивної В-клітинної неоплазії. МУС також зазнає ампліфікації при карциномі грудної залози, товстої кишки, легень та деяких інших карциномах, тоді як пов'язані з ним гени .ММУС та ЬМУС - при нейробластомах та дрібно клітинних карциномах легень відповідно. Ц икліни т а циклінза ле ж н і кінази Як зазначалося у главі 1, фактори росту відповідальні за передачу сигналів, що стимулюють впорядковане про ходження клітинами різних фаз клітинного циклу процесу, завдяки якому клітини здійснюють репліка цію ДНК під час підготовки до поділу. Клітинний цикл регулюють циклінзалежні кінази, які активуються шля хом зв'язування з циклінами, названими так через їх циклічний характер їх синтезу та розпаду. Комплекси СОК-цикліни фосфорилюють ключові таргетні про теїни, що зумовлюють початок клітинного циклу. Одночасно з активацією циклінзалежної кінази інгі бітори СОК інактивують її та здійснюють негативний контроль клітинного циклу. Експресія цих інгібіторів пригнічується мітогенними сигнальними шляхами, у такий спосіб зумовлюючи проходження клітинного циклу. Існують дві основні контрольні точки клітинного циклу: одна - на переході С у 8 , інша - на переході С2/М ; кожна з них чітко регулюється рівновагою факторів, що стимулюють і пригнічують ріст, а також сенсорами ушкодження ДНК (глава 1). У разі активації ці сенсорні протеїни передають сигнали, що блокують початок клітинного циклу, і якщо зміни в клітині не піддягають відновленню, то ініціюють апоп тоз. Як тільки клітини проходять через контрольну точку С у 5, вони мають ділитися. Із цього стає зрозу мілим, Щ О порушення функції контрольної Т О Ч К И с у з є вкрай важливими під час розвитку пухлин, оскільки безпосередньо призводять до стимуляції поділу клітин. Більше того, усі типи пухлин, як виявилося, мають гене тичні ушкодження, що блокують роботу контрольної точки С у 5, унаслідок чого клітини безупинно входять у фазу 5. За нез'ясованих причин такі ушкодження при різних типах пухлин зазвичай відрізняються, але всетаки виділяють дві основні їх категорії. • М утації, що поруш ую т ь ф ункції СПК4 а б о циклінів О. Зміни, що призводять до посиленої експресії цикліну О чи СОК4, поширені під час неопластичної трансформації. Гени цикліну О проявляють гіперекспресію при багатьох типах пухлин, до яких належать ті, що уражують грудну залозу, стравохід, печінку, й низка лімфом і плазматично-клітинних неоплазій. Ампліфікація гена С0К 4 спостерігається при меланомах, саркомах та гліобластомах. Мутації, що уражують цикліни В, Е та інші СОК, також трап ляються, але набагато рідше, ніж описані вище. • М ут ації, пов'язані із поруш енням ф ункції ін гібі т ор ів СИК. Останні часто блокуються внаслідок мутації або пригнічення гена при багатьох злоякіс них новоутвореннях людини. Наприклад, мутації гена СОКМ2А в лінії зародкових клітин, що кодує ріб - інгібітор СОК, наявні у 25 % випадків у членів родин, схильних до виникнення меланоми; набута делеція чи інактивація СОКМ2А спостерігається у 75 % випадків карциноми підшлункової залози, 40-70 % гліобластом, 50 % карцином стравоходу та деяких лейкемій, 20 % випадків недрібноклітинної карциноми легень, а також при саркомі м'яких тка нин та карциномі сечового міхура. Кінцевим висновком у дискусії про сигнали, які сти мулюють ріст пухлин, є те, що посилене продукування онкопротеїнів саме по собі не призводить до безперерв ної проліферації пухлинних клітин. Є два механізми, які чинять опір онкоген-індукованому росту клітин, це клітинна дегенерація й апоптоз. Далі обговорюва тимуться способи відключення генів, що регулюють ці два механізми гальмування, унаслідок чого онкогени діють безперешкодно. АВТОНОМНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ФАКТОРАМИ РОСТУ Протоонкогени: нормальні гени, продукти експресії яких зумовлюють проліферацію клітин. Онкогени: мутантні чи варіанти протоонкогенів, яким властива гіперекспресія та які функціонують автономно, не потребуючи впливу нормальних факторів, що стиму люють ріст клітин. Онкопротеїни зумовлюють неконтрольовану проліфера цію за допомогою кількох механізмів, наведених нижче: • незалежна від наявності стимулів експресія фактору росту та його рецептора, у чому полягає виникнен ня аутокринного циклу клітинної проліферації (напри клад, РйСР-РОСР рецептор у пухлинах головного мозку); • мутації в генах, які кодують тирозинкіназні рецептори факторів росту, що призводить до конститутивного ге нерування сигналів; • ампліфікація генів класу рецепторів ЕСР, таких як НЕК2, при карциномі грудної залози; • злиття ділянок гена тирозинкінази АВІ. та гена ВСК, що зумовлює утворення гібридного гена ВСК-АВ/., який кодує конститутивну активність тирозинкінази при де яких лейкеміях; • мутації в генах, що кодують сигнальні молекули; • мутації КА5, зазвичай при пухлинах людини; у нормі цей онкопротеїн переходить від ГДФ-асоційованого стану спокою до ГТФ-активного стану; такі мутації блокують гідроліз ГТФ до ГДФ, призводячи до неконтрольованого генерування сигнальних імпульсів; • надмірне продукування чи неконтрольована активність факторів транскрипції; 216 ГЛАВА 6 Пухлини • транслокація МУС при д еяких лімфомах, щ о призводить до надмірної чи неконтрольованої експресії відповідних таргетних генів, які регулюють клітинний цикл та виживання; • мутації, щ о активують гени циклінів й інактивують негатив ні регулятори циклінів та циклінзалежних кіназ. • Комплекси ц и к л ін и -С О К регулюють клітинний цикл шляхом фосфорилювання різном анітних субстратів; у нормі їх р о б о ту контролю ю ть інгібіто р и С О К . М утації в генах, щ о кодують цикліни, С О К й інгібітори С О К , призводять до неконтрольованого кл ітинного циклу і спостерігаються при багатьох ти пах пухлин, включаючи меланоми та злоякісні новоутворен ня головного мозку, легень і підш лункової залози. Нечутливість до інгібіторів росту: гени - супресори росту пухлин І. Ньютон висловив теоретичне припущення, що кож на подія має аналогічну їй протилежну реакцію. І хоча Ньютон не був біологом-онкологом, його твердження виявилося правильним стосовно росту клітин. Тоді як онкогени кодують білки, які стимулюють ріст клі тин, продукти ескпресії генів - супресорів росту пух лин гальмують клітинну проліферацію. Порушення функції таких генів зумовлює рефрактерність клітин до інгібіторів росту й імітує стимулювальний ефект онкогенів. Далі обговорюватимуться гени - супресори росту пухлин, продукти їх експресії та ймовірні меха нізми, унаслідок яких відбувається неконтрольований ріст клітин. По суті, антиростові сигнали здатні запобігати про ліферації кількома взаємодоповнювальними механіз мами. Сигнал може спричинити перехід клітин, що діляться, у фазу С0 (стан спокою), в якій вони залиша ються доти, аж поки позаклітинні імпульси не змусять клітину знову перейти до процесу проліферації. В іншому випадку клітини можуть перейти в постмітотичний стан і диференціюватись, втративши реплікативний потенціал. У крайньому разі вони можуть бути запрограмовані на загибель шляхом апоптозу. Надалі буде зрозуміло, що гени - супресори росту пухлин мають у своєму арсеналі всі ці функції, щоб запобігти малігнізації. ЯВ; регулят ор кліт инного циклу КВ, ключовий негативний регулятор клітинного циклу, прямо чи опосередковано інактивується при більшості пухлин людини. Ген ретинобластоми (КВ) це перший відкритий ген - супресор росту пухлин, який нині вважають типовим представником, про тотипом цього класу онкогенів. Разом із численними досягненнями в медицині відкриття генів-супресорів було доповнене вивченням рідкісної хвороби (у кон кретному випадку - ретинобластоми, що виникає в дитячому віці). Приблизно 60 % ретинобластоми при падає на спорадичні випадки, решта характеризуються сімейною схильністю із аутосомно-домінантним типом успадкування. Д ія пояснення механізму виникнення спадкової та спорадичної форм цього захворювання в 1974 р. Кнудсон висунув свою, на сьогодні відому гіпо тезу подвійного удару, яку із застосуванням терміноло гії молекулярної біології можна сформулювати так: • Для розвитку ретинобластоми необхідні дві мутації (удари) гена КВ, що міститься в локусі 13р14; при цьому обидва нормальні алелі локуса КВ мають бути інактивовані (звідси вираз «два удари»; рис. 6.19). • У разі генетичної передачі діти успадковують одну дефектну копію гена КВ в лінії зародкових клітин; інша копія нормальна. Ретинобластома виникає за умови втрати нормального гена КВ ретинобластами внаслідок соматичної мутації. Через те що однієї мутації в межах лінії зародкових клітин цілком достатньо для виникнення ризику захворювання, схильність до цієї хвороби успадковується за ауто сомно-домінантним типом. • У разі спорадичних випадків захворювання спосте рігається втрата обох нормальних генів КВ ретино бластами внаслідок соматичної мутації. Результат такий самий: клітина сітківки, що втратила обидві нормальні копії гена КВ, перероджується на пух линну клітину. Із наведеного вище очевидно, що хоча ризик розви тку цієї пухлини в родинах, схильних до виникнення ретинобластоми, успадковується як домінантна ознака, на рівні клітини один інтактний ген КВ забезпечує нор мальну функцію. Незважаючи на те що втрату нормального гена КВ уперше виявлено при ретинобластомі, зараз відомо, що біалельна втрата цього гена є насправді спільною влас тивістю кількох типів пухлин, включаючи карциному грудної залози, дрібноклітинну карциному легень і карциному сечового міхура. Пацієнти з генетичною схильністю до ретинобластоми також належать до гру пи підвищеного ризку виникнення остеосаркоми та деяких сарком м'яких тканин. Функція протеїну КВ полягає в регуляції діяль ності контрольної Т О Ч К И с у 8 - пункту, через який клітини проходять перед реплікацією ДНК. Попри ретельний моніторинг кожної фази перехід від С 1 до 5 є надзвичайно важливим етапом регуляції біологічного «годинника» клітинного циклу. Фаза С 1тісно пов'язана із різноманітними сигналами, які визначають функцію клітини - здійснювати далі клітинний цикл або вийти з нього для диференціації. Продукт експресії гена КВ є ДНК-зв'язувальним протеїном і слугує інтегрованою точкою для вищеза значених різноманітних сигналів, які змінюють стан КВ шляхом його фосфорилювання. Іншими словами, сигнали, що регулюють проходження клітиною фаз клітинного циклу, призводять до фосфорилювання та інактивації протеїну КВ, тоді як блокатори клітинного циклу підтримують його в активному гіпофосфорильованому стані. Для того щоб оцінити ключову роль протеїну КВ в регуляції клітинного циклу, спочатку слід розглянути механізми переходу С,/5. • Ініціація реплікації ДНК (фаза 8) потребує актив ності комплексів циклін Е-СОК2, а експресія цикліну Е залежить від факторів транскрипції сімейства Е2Р. Протеїн КВ на початку фази С, пере буває в гіпофосфорильованому активному стані, зв'язується й інгібує фактори транскрипції Е2Р, запобігаючи транскрипції цикліну Е. Він блокує Е2Р-опосередковану транскрипцію як мінімум дво ма способами (рис. 6.20): по-перше, секвеструє Е2Р, перешкоджаючи його взаємодії з іншими актива торами транскрипції; по-друге, залучає ферменти Ознаки злоякісних пухлин ПАТОГЕНЕЗ РЕТИНОБЛАСТОМИ Соматичні клітини батьків Герміногенні клітини Зигота Соматичні клітини дитини Ретинобластома Мутація Нормальний ген Мутантний ген НВ Рис. 6 .1 9 . П а т о ге н е з р ети н о б л а с то м и . Дві мутації локуса КВ на хромосомі ' ^ 1 4 призводять до неопластичної проліферації клітин сітківки. При спорадичних випадках захворювання пухлиноутворювальні ретиноцити зазнають двох мутацій гена КВ. При спадкових формах усі сома тичні клітини унаслідують один мутантний ген ЯВ від батьків-носіїв, тому необхідно, щоб в ретиноцитах виникла лише одна додаткова мутація для повної втрати функції цього гена ремоделювання хроматину, зокрема гістондеацетилазу та гістонметилтрансферазу, які зв'язуються із промоторами Е2Р-чутливих генів, таких як циклін Е. Ці ферменти модифікують хроматин у ділянці про моторів таким чином, щоб зробити ДНК нечутли вими до факторів транскрипції. Ситуація змінюється, коли починають надходити мітогенні сигнали. Вплив фактору росту зумовлює екс пресію цикліну О та активацію комплексів циклін О СОК4,6; активність цих комплексів контролюють такі антагоністи, як ріб, функцію якого своєю чергою регу люють інгібітори росту, зокрема ТСР-р, що обмежу ють мітогенні реакції. Якщо стимул достатньої сили, то комплекси циклін 0 -С 0 К 4 ,6 фосфорилюють КВ, інактивуючи в такий спосіб білок і вивільняючи Е2Р, що зумовлює індукцію таргетних генів (наприклад, цикліну Е). Надалі ці комплекси стимулюють репліка цію ДНК та проходження клітиною усіх фаз клітинно го циклу. Після входу у фазу 5 клітини безпосередньо діляться, не потребуючи додаткової стимуляції факто рів росту. Під час фази М фосфатні групи відокремлю ються від КВ за допомогою клітинних фосфатаз, тим самим відновлюючи його гіпофосфорильований стан. • Е2Р не є основною мішенню КВ. Багатофункціо нальний протеїн КВ зв'язує велику кількість різно манітних факторів транскрипції, що регулюють диференціацію клітин. Наприклад, він стимулює специфічні фактори транскрипції щодо міоцитів, адипоцитів, меланоцитів і макрофагів. Отже, КВ-сигнальний шлях поєднує регуляцію клітинного циклу на рівні контрольної точки С 1 із диференці ацією, що може пояснити, наскільки процес дифе ренціації пов'язаний із виходом з клітинного циклу. Враховуючи ключову роль гена КВ у регуляції клі тинного циклу, виникає запитання: чому він не зазнає мутації в кожній пухлині? По суті, мутації в інших генах, що контролюють процеси фосфорилювання протеїну КВ, можуть зімітувати ефект його втрати; таке явище часто спостерігається при багатьох типах пухлин, що містять нормальні гени КВ. Наприклад, активація СОК4 у результаті мутації та гіперекспресія цикліну О сприяють клітинній проліферації, зумов- 218 ГЛАВА 6 Пухлини ІНГІБІТОРИ РОСТУ (ТСР-Р, р53, інші) ФАКТОРИ РОСТУ (ЕСР, РРСР) Стимуляція Інгібітори СОК Активація (ріб) Ініціація Циклін 0 -С 0 К 4 ,6 Циклін Е-С0К2 Циклін 0 -С й К 4,6 Циклін Е-С 0К2 умовою злоякісної трансформації, і щонайменше один із чотирьох основних регуляторів клітинного циклу (р ів, циклін Б , СОК4, КВ) зазнає мутації при більшості пухлин людини. Зокрема при пухлинах, спричинених конкретними онкогенними вірусами (див. далі), ця передумова зумовлена прямим впливом вірусних білків на протеїн КВ. Наприклад, вірус папі ломи людини (НРУ) містить протеїн Е7, який зв'язує гіпофосфорильовану форму КВ, унеможливлюючи його інгібіторний вплив на фактори транскрипції Е2Р. Так здійснюється функціональна втрата КВ, що й при зводить до неконтрольованого росту. РЕЗЮ МЕ Гіпофосфорильований протеїн КВ Гіперфосфорильований протеїн КВ КВ: РЕГУЛЯТОР КЛІТИН НО ГО ЦИКЛУ • П од іб н о до інш их генів - супресорів росту пухлин, поруш ен ня функцій о б о х ко пій КВ є не о бхід но ю ум овою розвитку пухлини. • П ри сімейній ретинобластомі одна дефектна копія гена КВ вже наявна в лінії зародкових клітин, том у необхідна лише одна додаткова соматична мутація для повної втрати функцій Гі станова метилтрансфераза цього гена. • Ген КВ проявляє антипроліферативний ефект, регулю ю чи пе Гі станова діацетилаза рехід від фази С , до фази 5 кл ітинного циклу. Протеїн КВ в активному стані є гіпофосфорильованим і зв’язує фактори транскрипції Е2Р. Такий взаємозв’язок запобігає транскрипції генів, зокрема цикліну Е, не о б хід ни х для реплікації Д Н К , уна Ділянка Е2Р Гени фази 5 Ділянка Е2Р Гени фази 5 слідок ч о го клітини залишаються у фазі С г • Н адходж ення сигналів від факторів росту зумовлює екс пресію цикліну О, активацію комплексів циклін 0 - С 0 К 4 .6 , Блокування транскрипції Активація транскрипції інактивацію протеїну КВ унаслідок й о го фосфорилювання і, таким чином , вивільнення Е2Р. • Втрата здатності до регуляції кл ітинного циклу є фундамен Рис. 6.20. Роль п р о те їн у К В у р е гу л я ц ії ко н тр о л ь н о ї т о ч ки С ,/5 . Гіпофосфорильований протеїн КВ і фактори транскрип ції Е2Р утворюють комплекс у Д Н К і мобілізують хроматинремоделювальні фактори (гістонові діацетилази та гістонові метилтрансферази) і в такий спосіб перешкоджають транскрипції генів, продукти експресії яких необхідні для продовження фази 5 клітинного циклу. У разі фосфорилювання КВ через комплекси циклін Р -С О К 4 , циклін О -С О К б і циклін Е -С О К 2 він вивільняє фактори транскрипції Е2Р. Останні своєю чергою активують транскрипцію генів фази 5. Інгібітори С О К перешкоджають процесам фосфорилювання КВ унаслідок інактивації комплексів циклін-С О К. Майже всім видам ракових клітин властива дисрегуляція контрольної точки С у5 у результаті виникнення мутацій в одному із чотирьох генів, які регулюють процес фосфорилювання КВ; такими генами є ЯВ, С0К4, циклін 0, С 0 Ш 2 А (р16). ЕОТ - епі дермальний фактор росту; РОСР - фактор росту тромбоцитів; ТСЕ-)3 — трансформувальний фактор росту-р люючи фосфорилювання та інактивацію КВ. Окрім того, гіперекспресія цикліну О при багатьох пухли нах є наслідком ампліфікації та транслокації гена цикліну 1)1. Інактивація в результаті мутації генів, що кодують інгібітори СОК, також може сприяти початку клітинного циклу, унеможливлюючи важливі проце си пригнічення активності комплексів циклін-СОК. Як зазначалося раніше, ген СОЮМ2А, який кодує ріб, інгібітор СОК, виявився надзвичайно поширеною мішенню делеції чи інактивації внаслідок мутації при пухлинах у людини. Наразі прийнято вважати, що втрата здатності до регуляції клітинного циклу є ключовою перед тальною предумовою злоякісної трансформації. Майже всі тип и пухлин характеризуються блокуванням контрольної то чки С , у результаті мутації гена КВ або генів, щ о впливають на функції протеїну КВ, та ких як циклін 0, С 0 К 4 й інгібітори СОК. • Багато о н ко ге н н и х ДНК-вірусів, наприклад НРУ, кодують протеїни (зокрема Е7), які зв’язують КВ й унеможливлюють й о го функціонування. ТР53: «варт овий» геному Ген - супресор росту пухлин ТР53, який кодує про теїн р53, найчастіше зазнає мутацій при пухлинах у людини. Протеїн р53 є фактором транскрипції, який запобігає неопластичній трансформації за допомогою трьох механізмів блокування: активації тимчасової зупинки клітинного циклу (або стану спокою); індукції постійної зупинки клітинних циклів (або старіння) чи запуском програмованої загибелі клітин (або апоптозу). Якщо КВ є «датчиком» зовнішніх сигналів, то р53 мож на розглядати як центральний монітор внутрішнього стресу, який спрямовує уражені клітини на здійснення одного з перерахованих механізмів. Багато різноманітних порушень зумовлюють запуск р53-реактивних механізмів: аноксія, неадекватна сти муляція факторами росту (наприклад, неконтрольована активність МУС та КА5), а також ушкодження ДНК. Формуючи відповідь на ушкодження ДНК, р53 відіграє ключову роль у підтриманні стабільності геному, що розглядатиметься далі. Ознаки злоякісних пухлин У здорових функціонуючих клітинах р53 має корот кий період напіврозпаду (20 хв) через його зв'язування з МОМ2 - білком, що зумовлює деградацію р53. У разі клітинного стресу, наприклад, при спонтанному ушкодженні ДНК, активуються «чутливі елементи», до яких належать протеїнкінази, такі як АТМ (аіахіа іе1ап§іесіазіа тиіаіесі). Активовані сенсори каталізують процеси посттрансляційної модифікації р53, у резуль таті чого він втрачає зв'язок із ІУГОМ2, підвищуючи свій період напірозпаду і здатність регулювати транскрип цію таргетних генів. Нині встановлено сотні генів, у яких транскрипція починається під впливом р53. Ці гени пригнічують процес неопластичної трансформа ції завдяки трьом механізмам, описаним нижче. • р53-Опосередкована зупинка клітинного циклу, яку можна вважати першою реакцією на ушкодження ДНК (рис. 6.21). Таке явище спостерігається в пізній період фази С 1 унаслідок р53-залежної транскрип ції інгібіторів СОК гена СОКША (р21). Протеїн р21 інгібує діяльність комплексів циклін О-СОК і запобігає фосфорилюванню КВ, і тому клітини залишаються у фазі С г Така пауза під час клітин ного циклу є корисною, оскільки дає клітині час на «перепочинок», щоб здійснити репарацію ДНК після її ушкодження. Протеїн р53 також індукує експресію генів, що відповідають за процеси репа рації ДНК. у разі успішної репарації ДНК він під вищує інтенсивність процесів транскрипції МОМ2, що своєю чергою призводить до деструкції р53 і відновлює клітинний цикл. Якщо ушкодження не піддаються репарації, то клітина може перейти у р53-індукований стан дегенерації чи зазнати р53індукованого апоптозу. р53-Індукований стан дегенерації клітини - різновид постійної зупинки клітинного циклу, що характеризу ється специфічними змінами в морфології та експресії генів, які дають змогу відрізнити це явище від сіпану спокою чи тимчасової зупинки клітинного циклу. Стан Йонізувальне випромінювання Канцерогени Мутагени Нормальна клітина ( ТР53 у нормі) Онкогенний стрес Т Гіпоксія Ушкодження ДНК Ушкодження ДНК I 1 ------- +. Накопичення р53 та зв'язування із ДНК Відсутність активації 7Р53-залежних генів Відсутність Відсутність репарації зупинки ДНК і клітинного старіння циклу клітин Залежний та незалежний від транскрипції вплив на мішені Мутантні клітини Старіння р 21 (інгібітор СРК) т С А 0045 (відновлення ДНК) ВАХ Експансія та додаткові мутації (ген апоптозу) Зупинка клітинного циклу у фазі <3, І----------- 1-------Успішне відновлення Порушене відновлення Нормальна клітина Злоякісна пухлина Рис. 6 .2 1 . Р о л ь Т Р 5 3 у п ід т р и м а н н і ц іл іс н о с т і г е н о м у . Активація ТР53 у результаті уш кодження Д Н К чи внаслідок гіпоксії при зводить до зупинки клітинного циклу у фазі <3, та активної репарації Д Н К шляхом транскрипційної регуляції інгібіторів циклінзалежної кінази С ^ К N М (р21) та генів С А О й45. Успішна репарація Д Н К дає можливість клітині продовжувати клітинний цикл; якщ о репарація Д Н К не відбувається, р53 зумовлює апоптоз чи дегенерацію. У клітинах із втратою чи мутаціями ТР53 уш кодження Д Н К не супроводжуються зупинкою клітинного циклу або репарацією Д Н К ; такі клітини починають проліферувати, що зреш тою призводить до виникнення зло якісних пухлин 219 220 ГЛАВА 6 Пухлини дегенерації потребує активації р53 і/або КВ й експресїї їх посередників, наприклад інгібіторів СОК. Механізми переходу клітини у стан дегенерації ще нечітко з'ясовані, але, швидше за все, таке явище характеризується масштабними змінами у структу рі хроматину, що докорінно й перманентно зміню ють експресію генів. • р53-1ндукований апоптоз клітин із необоротним ушко дженням ДНК - вимушений механізм захисту від неопластичної трансформації. Він запускається внаслі док підвищеної активності кількох проапоптичних генів, до яких належать ВАХ та РІ1МА (див. далі). Підсумовуючи вищесказане, слід зазначити, що активація р53 здійснюється в разі клітинного стресу, спричиненого ушкодженням ДНК, і є допоміжним механізмом, який зумовлює зупинку клітинного циклу у фазі С 1 й ескпресію генів, відповідаль них за репарацію ДНК. Клітина із необоротними ушкодженнями ДНК під впливом р53 переходить у стан дегенерації чи здійснює апоптоз (див. рис. 6.21). Враховуючи такі властивості, ТР53 був справедливо названий «вартовим» геному. У разі порушення його функції ушкодження ДНК не підлягає виправленню, мутації зосереджується в клітинах, що перебувають у стані активного поділу, що, власне, є прямим шляхом злоякісної трансформації. Більше ніж у 70 % пухлин людини наявний дефект гена ТР53, що свідчить про його важливе значення для контролю канцерогенезу; решта зло якісних неоплазій містять дефекти в генах, роз міщених перед чи після ТР53. Біалельні аномалії гена ТР53 виявлено майже при кожному типі пухлин, включаючи карциноми легень, товстої кишки та груд ної залози - трьох типів пухлин, які спричинюють найвищу летальність. Здебільшого мутації, що уражу ють обидва алелі гена ТР53, є набутими в соматичних клітинах. При інших пухлинах (наприклад, деяких саркомах) ген ТР53 виявляється неушкодженим, про те спостерігається порушення функції р53 у зв'язку з ампліфікацією та гіперекспресією гена МОМ2, що кодує потужний інгібітор протеїну р53. Рідше трапля ються випадки успадкування мутантного алеля гена ТР53; такий розлад називають синдромом Лі-Фраумені. Подібно до сімейної ретинобластоми, успадкування одного мутантного алеля гена ТР53 у відповідних осіб є фактором ризику злоякісних новоутворень у зв'язку з тим, що лише один додатковий «удар» може інактивувати інший, нормальний алель. Ризик їх розвитку у пацієнтів із синдромом Лі-Фраумені у 25 разів вищий порівняно із загальною популяцією осіб віком до 50 років. Спектр неоплазій при синдромі Лі-Фраумені набагато різноманітніший, ніж у разі успадкування мутантного алеля гена КВ; найпоширенішими типами пухлин є саркома, карцинома грудної залози, лейкемія, пухлини головного мозку та карцинома кори наднир кових залоз. Порівняно з особами, у яких діагностовано спорадичні злоякісні новоутворення, у пацієнтів із син дромом Лі-Фраумені спостерігається вірогідний розви ток пухлин у молодшому віці й трапляються множинні первинні пухлини. Як і в разі КВ, порушення функції р53 також можуть спричиняти онкогенні ДНК-віруси. Протеїни, що коду ються онкогенними НРУ, поліомавірусами та вірусами гепатиту В, зв'язують протеїн р53 і нейтралізують його протективну функцію. Таким чином, трансформувальні ДНК-віруси порушують діяльність обох найкраще досліджених супресорів росту пухлин - КВ та р53. ТР53: «ВАРТОВИМ» ГЕНОМУ • ТР53 кодує протеїн р53, який є основним елементом моніто рингу клітинного стресу, спричиненого аноксією, неадекват ним надходженням онкогенних сигналів або ушкодженням ДНК. Активований р53 регулює експресію й активність генів, що здійснюють зупинку клітинного циклу, репарацію ДНК, дегенерацію та апоптоз клітин. • Ушкодження ДНК активує протеїн р53 завдяки процесу фосфорилювання. Активований р53 запускає транскрипцію С ^КN М (р21), що запобігає фосфорилюванню КВ, у такий спосіб зупиняючи клітинний цикл у фазі СуЗ. Ця пауза дає змогу клітинам здійснити репарацію ушкодженої ДНК. • Якщо ушкодження ДНК не може бути виправленим, р53 ін дукує дегенерацію чи апоптоз. • У людини 70 % пухлин характеризуються біалельними мута ціями в гені ТР53. Пацієнти із рідкісним синдромом Лі-Фра умені успадковують одну дефектну копію гена ТР53 в межах лінії зародкових клітин, отже, необхідна лише єдина додатко ва мутація для порушення функції р53. Пацієнти із синдро мом Лі-Фраумені схильні до розвитку багатьох типів пухлин. • Як і у випадку із КВ, функціонування р53 може бути обмеже ним унаслідок зв'язування із протеїнами, що кодуються онко генними ДНК-вірусами, наприклад НРУ. Трансформувальний ф а кт о р рост у-0 Незважаючи на численну інформацію про сукупність реакцій, що гальмують клітинний цикл, молекули, які передають антипроліферативні сигнали клітинам, ще недостатньо вивчені. Найвідомішим із них є ТСР-р, представник сімейства димерних факторів росту, до якого належать морфогенетичні білки кісткової ткани ни й активіни. Для більшості нормальних епітеліаль них, ендотеліальних та гемопоетичних клітин він слугує потужним інгібітором проліферації, регулює клітинні процеси шляхом зв'язування з комплексом, що скла дається із ТСР-р-рецепторів І та II типів. Димеризація рецептора при зв'язуванні ліганда зумовлює каскад подій, унаслідок чого відбувається транскрипція інгібі торів СОК, які пригнічують ріст, а також інгібіція генів промоторів росту, зокрема МУС та СИК4. У багатьох пухлинах порушуються ефекти пригні чення росту під впливом ТСР-р-метаболічних шляхів у результаті мутацій, що впливають на сигналіза цію ТСР-р. Такі мутації можуть спричиняти зміни у ТСР-р-рецепторі II типу чи молекулах 5МАО, що від повідають за передачу антипроліферативних сигналів від рецептора до ядра. Мутації, що уражують рецеп тор II типу, виявлено при карциномі товстої кишки, шлунка й ендометрія. Інактивація ЗМ А04 у результаті мутації одного із 10 інших протеїнів, що, як відомо, беруть участь у процесі передачі сигналу ТСР-р, досить часто спостерігається при карциномі підшлункової залози. При інших пухлинах, навпаки, втрата ТСРР-опосередкованого контролю росту трапляється на наступних етапах цього сигнального шляху; напри клад, може спостерігатися порушення експресії про- Ознаки злоякісних пухлин К о н т а кт н і інгібіт ори N £2 т а АРС інгібіції. Гомозиготна втрата N¥2, як відомо, від повідає за розвиток певних новоутворень нервової тканини, а мутації N¥2 в межах лінії зародкових клітин асоціюються із генетичною схильністю до виникнення пухлинного захворювання, яке назива ють нейрофіброматозом 2-го типі/. • Другий механізм пов'язаний зі здатністю Е-кадгерину зв'язувати р-катенін, інший сигнальний протеїн. р-Катенін слугує ключовим компонентом ШИТ-сигнального шляху (див. далі), що виконує різноманітні, але ще недостатньо вивчені функції в регуляції морфології та організації епітеліальних клітин, які вистилають просвіт кишок. Проліферацію пухлинних клітин, вирощених у лабораторних умовах, неможливо заблокувати шля хом їх контакту. Це дуже відрізняє пухлинні клітини від нетрансформованих, які перестають проліферувати одразу після того, як формують суцільні одношарові структури. Лише зараз вдалося дослідити механізми контактної інгібіції. Контакти між клітинами у багатьох тканинах забезпечують гомодимерні зв'язки між транс мембранними протеїнами, які отримали назву кадгерини. Е-кадгерин («Е» - стосується епітелію) формує кон такти в шарах епітелію. Запропоновано два механізми контактної інгібіції за допомогою Е-кадгеринів: • Перший механізм зумовлений геном - супресором росту пухлин ИР2. Його продукт - нейрофібромін-2 (більш поширена назва - мерлін) є наступним еле ментом після Е-кадгерину в послідовності сигналь ного шляху, що сприяє підтриманню контактної Наступним етапом усвідомлення значущості Е-кадгерину і р-катеніну при новоутвореннях епіте ліальної тканини є розуміння патогенезу рідкісної спадкової хвороби - аденоматозного поліпозу Колі (англ. АРС). Цей розлад характеризується утворенням чис ленних аденоматозних поліпів у товстій кишці, яким властива висока ймовірність злоякісної трансформації. Поява поліпів обов'язково супроводжується втратою гена - супресора росту АРС (оскільки він стосується цієї хвороби), що незвичним способом чинить антипроліферативну дію. АРС кодує цитоплазматичний протеїн, основним завданням якого є посилене розщеплення Р-катеніну, який окрім Е-кадгерину також є ключо вим компонентом МІ\ГТ-сигнального шляху (рис. 6.22). Протеїни IV N'1 - це розчинні фактори, що зв'язують МІчИ-рецептори, які своєю чергою забезпечують пере тешу р21 чи гіперекспресія МУС. Такі пухлини можуть використовувати інші елементи ТСР-р-індукованої програми, включаючи супресію діяльності імунної системи та посилення ангіогенезу, щоб забезпечити розвиток пухлини. Враховуючи це, ТСР-р може запобі гати або стимулювати ріст пухлини, залежно від стану інших клітинних генів. Більше того, у багатьох пухлинах, що прогресують, передача сигналу ТСР-р активує процес епітеліальномезенхімального переходу, який зумовлює міграцію, інвазію та метастазування (див. далі). СТИМУЛЯЦІЯ ™ т КЛІТИНА В СТАНІ СПОКОЮ Рецептор №N1, 4 АЙІ Проліферації немає Е-кадгерин \л/ічт Л ПУХЛИННА КЛІТИНА З МУТАНТНИМ АРС А Проліферація Проліферація Рис. 6 .2 2 . Роль А Р С у р е гу л я ц ії стабільності с тр у кту р и т а ф у н кц іо н у в а н н і р -к а т е н ін у . АРС та р-катенін є складниками УУІЧТсигнального шляху: А - у клітинах, які перебувають у стані спокою (неактивний УУІЧТ), р-катенін утворює макромолекулярні комплекси, що містять протеїн АРС. Ці комплекси зумовлюють розщеплення р-катеніну, у результаті чого рівень його в клітинах знижується. Б - у разі стимуляції клітин протеїнами УУМТ-деструктивний комплекс інактивується, розщеплення р-катеніну не відбувається, а його концентрація в цитоплазмі зрос тає. р-Катенін транспортується в ядро, де зв’язується із фактором транскрипції ТСР, що активує кілька генів, які стимулюють клітинний цикл. 6 - у разі мутації чи відсутності АРС розщеплення р-катеніну стає неможливим; він транслокується в ядро й одночасно активує гени, що стимулюють клітинний цикл, у результаті чого клітини поводяться так, як у випадку персистентної стимуляції УУМТ-сигнального шляху 222 ГЛАВА 6 Пухлини дачу сигналів, що запобігають АРС-опосередкованому розщепленню р-катеніну, зумовлюючи його надходжен ня в ядро, де він функціонує як активатор транскрипції. У клітинах, що перебувають у стані спокою і не зазнали впливу протеїнів ШГчГТ, АРС є основним компонентом деструктивного комплексу, відповідального за розщеп лення цитоплазматичного р-катеніну. У разі втрати АРС (наприклад, при карциномі товстої кишки) унемож ливлюється розщеплення р-катеніну, спостерігається неадекватна активація \УМТ-сигнального шляху, навіть за відсутності відповідних протеїнів. В епітелії товстої кишки таке явище призводить до посиленої транкрипції генів - промоторів росту, таких як циклін Ш і МУС, а також регуляторів транскрипції, зокрема ТІЛ^ІЗТ та 5Ш С , що пригнічують експресію Е-кадгерину і знижу ють інтенсивність контактної інгібіції. АРС проявляє себе як типовий ген-супресор. У паці єнтів, народжених з одним мутантним алелем, зазвичай утворюється від сотні до тисячі аденоматозних поліпів у товстій кишці до підліткового чи 20-річного віку; таким поліпам властива втрата іншого алеля гена АРС. Майже завжди один чи кілька поліпів малігнізуються (див. далі). Мутації АРС спостерігаються у 70-80 % спо радичних випадків карциноми товстої кишки. За наяв ності номальних генів АРС карцинома товстої кишки часто зумовлює мутації р-катеніну, що унеможливлює його розщеплення під впливом АРС. РЕЗЮ МЕ ТСР-р, КОНТАКТНА ІНГІБІЦІЯ ТА АРС-р-КАТЕНІНОВИЙ ШЛЯХ • ТСР-Р запобігає проліферації багатьох типів клітин завдяки активації генів - супресорів росту, зокрема інгібіторів СОК, та пригніченню генів - промоторів росту, таких як МУС і тих, що кодують цикліни. • Функціонування ТСР-р часто порушується при багатьох пух линах у результаті мутацій в їхніх рецепторах (товста кишка, шлунок, ендометрій) чи внаслідок мутаційної інактивації генів Б/МАО, що забезпечують передачу сигналів ТСР-р (підшлун кова залоза). • Е-кадгерин забезпечує контактну інгібіцію, яка втрачається у злоякісних клітинах. • Ген АРС зумовлює антипроліферативний ефект завдяки ре гуляції процесу деструкції цитоплазматичного р-катеніну. У разі порушення активності протеїну АРС р-катенін не роз щеплюється і потрапляє в ядро, де проявляє себе як фактор росту - стимулятор транскрипції. • При синдромі сімейного аденоматозного поліпозу успадку вання мутації в гені АРС у межах лінії зародкових клітин та спорадична втрата єдиного нормального алеля призводять до утворення сотень поліпів товстої кишки в молодому віці. Унаслідок цього майже завжди один або більше поліпів пере роджуються у карциному товстої кишки. Соматична втрата обох алелів гена АРС спостерігається приблизно у 70 % спо радичних випадків карциноми товстої кишки. Порушення клітинного метаболізму Навіть за достатнього надходження кисню пухлин ним клітинам властива особлива форма метаболізму, що характеризується високим рівнем споживання глюкози й інтенсивним перетворенням глюкози на лактозу (ферментація) під час гліколітичного шляху. Це явище, назване ефектом Варбурга (також відоме під назвою аеробний гліколіз), відоме вже протягом багатьох років; більше того, О. Варбург отримав Нобелівську премію в 1931 р. за це відкриття. У клінічному аспекті явище «жадібного поглинання глюкози» пухлинами уможливлює візуалізацію злоякісних новоутворень шляхом позитронно-емісійної томографії (ПЕТ), під час якої пацієнтам уводять Р-фтордезоксиглюкозу похідне глюкози, що поглинається переважно пухлин ними клітинами (а також нормальними тканинами, що перебувають у стані активного поділу, наприклад кіст ковий мозок). Більшість пухлин є ПЕТ-позитивними, особливо ті, що швидко ростуть. Ефект Варбурга протягом багатьох років не при вертав належної уваги, проте за останнє десятиліття метаболізм став однією з найактивніше досліджуваних галузей онкології. Шляхи метаболізму (як і сигнальні шляхи) у нормальних та пухлиних клітинах досі пере бувають на стадії вивчення, і сукупність їхніх компо нентів є доволі заплутаною, проте ключове питання ефекту Варбурга полягає в тому, чому пухлинній клі тині вигідніше здійснювати неефективний, на перший погляд, процес гліколізу (у результаті якого з однієї молекули глюкози утворюється дві молекули АТФ), а не окисне фосфорилювання (у результаті якого з однієї молекули глюкози утворюється 36 молекул АТФ)? Міркуючи над цим питанням, важливо усвідомити, що нормальні клітини, які активно проліферують, напри клад, тканини ембріона і лімфоцити під час форму вання імунної відповіді, так само здійснюють аеробну ферментацію. Отже, «метаболізм Варбурга» - не спе цифічна ознака пухлин, а загальна властивість клітин, які ростуть, однак у пухлинних клітинах зазначений ефект стає «фіксованим». Відповідь на цю головоломку полягає в тому, що аеробний гліколіз забезпечує пухлинні кліти ни, які швидко діляться, проміжними продуктами метаболізму, необхідними для синтезу компонентів клітини, на відміну від мітохондріального окисно го фосфорилювання. Причина того, чому клітини, які активно ростуть, залежні від аеробного гліколізу, стає очевидною при усвідомленні, що перед такою клітиною встановлено чітко визначену біосинтетичну потребу: вона має подвоїти всі свої компоненти - ДНК, РНК, білки, ліпіди та органели - перед власне поділом й утворенням двох дочірніх клітин. Незважаючи на те що в результаті окисного фосфорилювання утворюєть ся велика кількість молекул АТФ, під час цього процесу не утворюється жодної вуглеводної сполуки, яку клі тина може використати для побудови структур, необ хідних для її росту (білки, ліпіди, нуклеїнові кислоти). Навіть клітини, які не перебувають у стані активного росту, одночасно з окисним фосфорилюванням мають отримати певні проміжні продукти метаболізму, щоб синтезувати макромолекули, необхідні для підтриман ня процесів життєдіяльності. На відміну від них у клітинах, що активно ростуть, лише невелика частка глюкози переходить на шлях окисного фосфорилювання; у середньому кожна моле кула глюкози в процесі метаболізму дає приблизно чотири молекули АТФ. Імовірно, такий баланс (який більше схиляється на користь аеробної ферментації, ніж окисного фосфорилювання) - це «золота середи Ознаки злоякісних пухлин на» метаболізму, оптимальна для здійснення процесів росту. Отже, клітини, що ростуть, все-таки залежні від метаболізму в мітохондріях; проте основним завданням мітохондрій є не утворення АТФ, а забезпечення реак цій, у результаті яких утворюються проміжні продукти метаболізму, що можуть бути використані як субстра ти для синтезу структурних компонентів. Наприклад, біосинтез ліпідів потребує наявності ацетил-КоА, що переважно синтезується в клітинах, які ростуть, із про міжних продуктів, утворених у мітохондріях, напри клад цитрату. Яким же чином у нормальних клітинах, що рос туть, і в пухлинних клітинах запускається цей процес перепрограмування метаболізму - ефект Варбурга? Як можна здогадатися, він зумовлений впливом низхідних каскадних сигналів, що надходять від рецепторів фак торів росту, тобто саме тих шляхів, які дерегульовані в пухлинах унаслідок мутацій в онкогенах та генах супресорах росту пухлин. Отже, у нормальних клітинах, що перебувають у стані активного поділу, процес аеробного гліколізу призупиняється на момент завершення процесів росту цілої тканини, тоді як у пухлинних клітинах таке пере програмування продовжується в результаті впливу онкогенів та втрати функцій генів - супресорів росту пухлин. Деякі з важливих аспектів взаємного впливу си гн альн и х факторів росту й кліт инного метаболізму наведено на рис. 6.23. До них належать: • Сигналізація від рецепт орів ф акт ору рост у. Окрім передачі ростових сигналів у ядро, сигнали від рецепторів фактору росту також впливають на мета болізм, підвищуючи рівень споживання клітинами глюкози і пригнічуючи активність піруваткінази, яка каталізує перетворення фосфоенолпірувату на піруват, що є останнім етапом гліколітичного шляху. У результаті цього розпочинається синтез висхідних проміжних продуктів гліколізу, що йдуть на синтез ДНК, РНК та білків. • Сигналізація від КА8. Низхідні сигнали КА5 підви щують активність транспортерів глюкози і кількох гліколітичних ферментів, у результаті чого відбу вається інтенсифікація гліколізу; активують процес переходу мітохондріальних проміжних продуктів обміну на метаболічні шляхи біосинтезу ліпідів; стимулюють діяльність факторів, необхідних для синтезу білків. • МУС. Як було вже сказано, метаболічні шляхи сти муляції росту підвищують рівень експресії фактору транскрипції МУС, який призводить до змін в екс пресії генів, що підтримує процеси анаболізму та ріст клітин. Серед генів, які регулює МУС, є такі, що кодують кілька гліколітичних ферментів і глутаміназу, необхідну для утилізації в мітохондріях глутаміну - основного джерела вуглеводних сполук, необхідних для біосинтезу структурних компонен тів клітини. З іншого боку, доволі часто супресори росту пухлин пригнічують функціонування метаболічних шляхів підтримання росту. Раніше вже йшлося про ефект КЛІТИНА В СТАНІ СПОКОЮ Глюкоза Транспортер глюкози г Рецептор фактору росту РІЗ-кіназа; Аутофагія Ліпіди Лізосома Катаболізм ліпідів та амінокислот Підвищення рівня гліколі тичних інтермедіаторів [ Активація Синтез білків Iі і ~ Синтез амінокислот, нуклеотидів РІСТ Лактат Цикл Кребса Мітохондріаль ний метаболізм, Ліпогенез Посилена утилізація глутаміну Рецептор фактору росту Рецептор Фактор фактору росту росту Рис. 6 .2 3 . М ета б о л ізм і ріст кл іти н . Клітини, що перебувають у стані спокою, використовують переважно цикл Кребса для утворення АТФ; у разі голодування відбувається аутофагія (самоперетравлювання), яка забезпечує клітину енергією. Стимуляція факторами росту нормальних клітин значно підвищує рівень споживання глюкози та глутаміну, які забезпечують джерела вуглецю, необхідного для синтезу нуклеотидів, білків і ліпідів. При пухлинах онкогенні мутації, які впливають на сигнальні шляхи факторів росту та інших ключових факторів, наприклад МУС, призводять до дисрегуляції м

Кумар В Основи патології за Роббінсом

Related documents

Products

Support

Кумар В Основи патології за Роббінсом

Related documents

Add this document to collection(s)

Add this document to saved

Suggest us how to improve StudyLib