Тучные клетки – функции в организме человека, новый взгляд на древнюю клетку

Описанные в 1878 году Паулем Эрлихом тучные клетки в основном рассматривались как эффекторы аллергии. Но в последние два десятилетия они получили широкое признание благодаря участию во многих физиологических и патологических процессах. Универсальные эффекторные клетки иммунной системы способствуют как врожденному, так и адаптивному иммунитету к патогенам, но также оказывают пагубное действие в контексте воспалительных заболеваний.

Тучные клетки: основное понятие в иммунологии, строение и где они находятся?

Тучные клетки, известные как мастоциты/лаброциты или тканевые базофилы, являются иммунными клетками миелоидной линии и присутствуют в соединительных тканях по всему телу.

Хотя мастоциты были впервые описаны более века назад, их происхождение оставалось спорным в течение нескольких десятилетий. Из-за их связи с соединительной тканью изначально предполагалось, что они были получены из недифференцированных мезенхимальных клеток. В качестве предшественников были предложены лимфоциты, мультипотентные предшественники и миелоидные клетки. Из-за морфологического и физиологического сходства базофилы также указывались как предшественники. Но два типа развиваются из разных гематопоэтических линий.

Филогенез

Филогенетические исследования указывают на возможный примитивный аналог тучных клеток у Ciona intestinalis – личиночнохордовый, рассматриваемый как модель-предок цефалохордатов и позвоночных. Эта примитивная клетка имеет сходство с мастоцитом: содержит метахроматические, электронно-плотные гранулы, также способна высвобождать гистамин и простагландины после активации. Соответственно, мастоциты могли появиться задолго до развития адаптивного иммунного ответа.

Строение

Морфологическая особенность тучных клеток – большое содержание в цитоплазме гранул, заполненных многочисленными секреторными соединениями, включая гепарин (отрицательно заряженный полисахарид) или хондроитинсульфатные протеогликаны типа серглицина. Функционально протеогликаны мастоцитов способствуют хранению других соединений в гранулах, включая биоактивные моноамины и различные специфические к клеткам протеазы. Кроме того, было показано, что протеогликаны гранул регулируют ферментативную активность протеаз и способствуют апоптозу. Мастоциты имеют поразительное метахроматическое окрашивание различными катионными красителями (как окраска толуидиновым синим).

Происхождение

Гематопоэтическое происхождение тучной клетки было подтверждено после аллогенной трансплантации костного мозга у лейкемического пациента. Через 198 дней после трансплантации мастоциты, выделенные из костного мозга реципиентов, отображали генотип донора.

1. Классификация: гематогенный дифферон; клетки иммунной системы.
2. Происходят из плюрипотентных клеток-предшественников костного мозга и созревают под влиянием c-kit лиганд (CD11–рецепторный тирозинкиназный белок, который у человека кодируется геном KIT) и фактора стволовых клеток в присутствии других отчетливых факторов роста, обеспечиваемых микроокружением ткани, где они находятся.
3. В нормальных условиях зрелые мастоциты не циркулируют в кровотоке.
4. Однако предшественники мастоцитов мигрируют в ткани и дифференцируются под влиянием фактора стволовых клеток и различных цитокинов.

Распределение

Где находятся тучные клетки? Присутствуют в слизистых и эпителиальных тканях в организме, за исключением центральной нервной системы и сетчатки (составляют 10% от клеток рыхлой волокнистой соединительной ткани). Расположены в местах поступления антигена в областях под эпителием в соединительной ткани, окружающей клетки крови, гладкие мышцы, слизистые и волосяные фолликулы (желудочно-кишечный тракт, кожа, респираторный эпителий) – иначе говоря, находятся в тесном контакте с внешней средой, в местах потенциального проникновения возбудителей. Поэтому они идеально подходят для участия в раннем распознавании патогенов.

Тучные клетки и дары иммунной системы
Watch this video on YouTube

Какие функции выполняют мастоциты в организме?

Активация и дегрануляция тучных клеток модулирует многие аспекты физиологических и патологических состояний. Известно, что в отношении нормальных физиологических функций они регулируют вазодилатацию (расширение кровеносных сосудов), сосудистый гомеостаз, врожденные и адаптивные иммунные реакции, ангиогенез и детоксикацию. С другой стороны, играют роль в патофизиологии многих заболеваний: аллергии, бронхиальной астме, анафилаксии, желудочно-кишечных расстройств, многих видов злокачественных новообразований, сердечнососудистых заболеваний, синдрома сжигания рта (расстройство активации мастоцитов в ткани полости рта, языка).

1. Участвуют в повышении ангиогенеза (росте кровеносных сосудов). Секретируют проангиогенные факторы, выделяют протеазы и гепарин (высвобождаются проангиогенные факторы, которые связываются с гепарином). Гистамин, высвобождаемый мастоцитами, индуцирует проницаемость микроциркуляции, которая также индуцирует развитие кровеносных сосудов.
2. Способствуют гомеостазу в иммунной системе. Они служат первой линией защиты от антигенов, поступающих в организм из-за их расположения в коже и слизистой оболочке. Особенно важна их роль в гомеостазе комменсальных бактерий кишечника. Пищеварительная система постоянно подвергается воздействию различных антигенов, таких как бактерии (комменсальные и патологические) и пищевые антигены.
3. Играют важную роль во врожденном и адаптивном иммунитете. Они распознают вредные антигены путем непосредственного связывания с патогенами или с патоген-ассоциированным молекулярным фрагментом.

Также регулируют функции многих типов клеток (дендритные, макрофаги, Т-клетки, В-лимфоциты, фибробласты, эозинофилы, эндотелиальные, эпителиальные). Играют важную роль в регуляции роста костной ткани, ремоделировании, минеральном гомеостазе.

Что такое стабилизаторы мембран лаброцитов?

Препараты, называемые «стабилизаторы мембран тучных клеток», включают кромоны (кромогликат натрия и недокромил) и кетотифен. Они ингибируют дегрануляцию лаброцитов с помощью мембранного стабилизирующего эффекта (предотвращают высвобождение из медиаторов тучных клеток (как гистамин) путем стабилизации мембран). Агенты наиболее эффективны при использовании до воздействия антигена.

Натрия кромогликат (кромолин-натрий) доступен в интразальной форме и считается препаратом первой линии для управления легких аллергических реакций дополнительно к другим композициям. Применяют его до 4х раз в день, относительно свободен от побочных эффектов. Кромолин-натрий также используется в качестве перорального препарата при лечении редкого заболевания мастоцитоза (тучноклеточный лейкоз), для которого характерна пролиферация (чрезмерное накопление) тучных клеток в пораженной ткани, и при пищевой аллергии.

Недокромил натрия – более мощное средство – применяется в качестве ингаляционного средства для лечения астмы.

Другой стабилизатор – кетотифен – отличается от кромонов совместным антигистаминным эффектом. Препарат предназначен для профилактического лечения аллергической астмы, ринита и аллергического конъюнктивита, проявлений пищевой аллергии.

Watch this video on YouTube

Механизм действия блокаторов в организме человека и названия торговых препаратов

Стабилизаторы тучных клеток – хромоновые препараты. Потенциальный фармакодинамический механизм – блокирование IgE-регулируемых кальциевых каналов. Без внутриклеточного кальция везикулы гистамина не могут сливаться с клеточной мембраной и дегранулировать. В качестве ингаляторов средства используются для лечения астмы, как назальные спреи – при сенной лихорадке (аллергический ринит), как глазные капли – для аллергического конъюнктивита. В оральной форме – при лечении мастоцитоза.

Список (фармакология: ингибиторы дегрануляции мастоцитов) – примеры:

1. Кромоглициновая кислота.
2. Кетотифен.
3. Кверцетин.
4. Бета-адреномиметики.
5. Метилксантины.
6. Пемироласт.
7. Олопатадин.
8. Меполизумаб.
9. Омализумаб.
10. Недокромил.
11. Азеластин.
12. Траниласт.
13. Витамин D.

За последнее десятилетие выявлен широкий спектр соединений стабилизаторов мастоцитов – природных, биологических и синтетических источников для лекарств, которые уже используются в клинических целях и для других показаний, кроме аллергий. Во многих случаях точный метод действия молекул неясен, но все вещества демонстрируют активность в том, что подразумевает стабилизация и, следовательно, могут иметь потенциальные терапевтические показания для лечения аллергических и подобных заболеваний, при которых интенсивно участвуют мастоциты. Однако из-за их гетерогенности и молекулярных целей потенциал любого нового стабилизатора может быть реализован только после оценки его свойств в расширенном диапазоне доклинических моделей in vitro, ex vivo и in vivo: эффективность и токсичность, побочные эффекты и противопоказания.

Тучные клетки и гистамин. Роль гормона в воспалении бронхов

Тучные клетки (и базофилы) – наиболее важный источник гистамина в иммунной системе. Гистамин хранится в цитоплазматических гранулах вместе с другими аминами (например, серотонином), протеазами, протеогликанами, цитокинами/ хемокинами и ангиогенными факторами и быстро высвобождается при запуске с различными раздражителями. Более того, в высвобождении гистамина регулирующую роль играют несколько активирующих и ингибирующих рецепторов: «зацепление» различных рецепторов может вызывать разные способы высвобождения гистамина и дегрануляции.

Гистамин активирует четыре рецептора, связанные с белком G (связывающий иммуноглобулины), а именно H1, H2, H3 (выраженный, главным образом, в головном мозге) и сравнительно недавно идентифицированный H4. В то время как активация H1 и H2, в основном, связана с некоторыми аллергическими расстройствами, опосредованными тучными клетками и базофилами, селективная экспрессия H4 на иммунных клетках раскрывает новые роли гистамина (возможно полученного из тучных клеток и базофилов) при аллергических, воспалительных и аутоиммунных расстройствах. Таким образом, глубокий анализ высвобождения гистамина мастоцитов и базофилов, его биологических эффектов позволяет выявить новые терапевтические пути для широкого спектра расстройств.

Образуемый гистамин – важный медиатор в патогенезе бронхиальной астмы и аллергического ринита. Высказано предположение, что астму и аллергический ринит следует рассматривать как одну болезнь дыхательных путей: коморбидность астмы и аллергического ринита очень высокая в процентах (70-80%), и они имеют сходное аллергическое воспаление. Легкая активация рецептора биогенного амина приводит к бронхоспазму и обструкции дыхательных путей.

В зависимости от степени плазматические уровни гистамина соотносятся с тяжестью астмы, при активации рецептора гистамина наблюдается нестабильность или увеличение проницаемости сосудов, продуцирование слизи и сокращение мышечных клеток гладкой мускулатуры. Препараты H1-блокаторы рекомендуют в качестве первой линии для лечения бронхиальной астмы и аллергического ринита (наиболее популярный и самый продаваемый в мире H1-блокатор третьего поколения – фексофенадин). Но гистамин может играть разные роли в воспалении аллергических дыхательных путей через рецепторы H1, H2 и H4 в иммунных клетках, включая Т-лимфоциты и дендритные клетки. Поэтому необходимо проводить больше исследований в этой области.

Что такое дегрануляция мастоцитов и как происходит этот процесс?

Дегрануляция – клеточный процесс, высвобождающий антимикробные цитотоксические или другие молекулы из секреторных везикул (гранул). Используется различными клетками, вовлеченными в иммунную систему, основная цель которых – уничтожить вторгающиеся микроорганизмы.

Метод дегрануляции тучных клеток:

1. В течение нескольких минут после стимуляции мастоциты высвобождают предварительно сформированные медиаторы, присутствующие в цитоплазматических гранулах (гистамин, триптаза и химаза), предварительно сформированный фактор некроза опухоли-альфа.
2. После они могут продуцировать липидные.
3. В течение нескольких часов можно наблюдать транскрипционную повышающую регуляцию цитокинов и хемокинов.
4. Каждый из ответов возникает самостоятельно или вырабатывается в комбинации в зависимости от стимула.

Какие медиаторы высвобождаются при защитном явлении тучных клеток?

Уникальный, стимулирующий специфический набор мастоцитов высвобождается через дегрануляцию после активации рецепторов клеточной поверхности. Медиаторы тучных клеток, которые высвобождаются во внеклеточную среду во время дегрануляции тучных клеток, включают серотонин, сериновые протеазы, гистамин (2-5 пикограмм на мастоцит) протеогликаны, главным образом гепарин (активный как антикоагулянт) и некоторые протеогликаны хондроитинсульфата, лизосомные ферменты, цитокины…

Многие из медиаторов, которыми богаты мастоциты, привлекают лейкоциты (эозинофилы, базофилы, Т-хелперы 2, нейтрофилы) к месту воспаления и усиливают воспалительный ответ. Предупреждающие медиаторы показывают повышение проницаемости кровеносных сосудов, так что иммунные клетки могут перемещаться из кровотока в пораженную ткань. После дегрануляции они ресинтезируют медиаторы и повторно заполняют гранулы.

Мастоциты являются потенциальными источниками гистамина в яичнике. В нескольких исследованиях были обнаружены изменения количества и дегрануляции в яичнике во время цикла.

Watch this video on YouTube

В каком случае назначается анализ крови методом дегрануляции мастоцитов у детей и взрослых?

Активация тучных клеток в иммунной системе вызывает аллергические реакции, иногда с тяжелыми системными симптомами, как у ребенка, так и взрослого человека. Исследователи разработали диагностический тест на активацию тучных клеток на основе анализа крови, в котором можно оценить уровни функциональной активности посредством «в пробирке» в первичных культивируемых тучных клетках, полученных из предшественников из периферической крови отдельных пациентов.

Гипотеза заключается в том, что методом можно пользоваться для прогнозирования потенциального состояния активации «в пробирке» тучных клеток у любого человека на основе профилей функциональной активации, проявляемых их культивируемыми тучными клетками. Тест, для которого нужно сдать кровь, актуален для исследования группы болезней, где ожидается активация тучных клеток. К ним относятся аллергия, хроническая идиопатическая крапивница, мастоцитоз; синдром активации тучных клеток.

Расшифровка результата исследования

Первичные культивируемые тучные клетки, полученные из предшественников из периферической крови, сенсибилизируют сывороткой пациентов с аллергией, а затем инкубируют с аллергеном. Оценка и расшифровка дегрануляции тучных клеток проводится с помощью проточной цитометрии и высвобождения медиатора. Они демонстрируют специфическую к аллергену и дозозависимую дегрануляцию на основе экспрессии маркеров поверхностной активации (CD63, CD107a) и функциональных анализов (выведение простагландина D2 и бета-гексозаминидазы).

Биомаркеры активности болезни широко используются при изучении механизмов болезни человека в клинической медицине, как для диагностики, так и для прогнозирования течения заболевания; также для мониторинга реакции при терапевтическом вмешательстве. Включаются поверхностные маркеры активации клеток, а также конкретные продукты воспалительных клеток, затрагивающие специфические типы клеток в воспалительном процессе и могут иметь значение в клинических исследованиях, а также в решениях, которые включает практическая аллергическая иммунология.

Референсные показатели

Клетки, полученные из крови человека, сенсибилизированные сыворотками от пациентов с аллергией на арахис, пыльцу травы и инсектной аллергией, продемонстрировали аллерген-специфическую и дозозависимую дегрануляцию. В результатах теста для группы пациентов с повышенной чувствительностью к арахису обнаружено, что мастоциты обладают большей эффективностью распознавания по сравнению с другими методами тестирования. Используя анализ функционального принципа, выявлено 5 закономерностей реактивности в полученных кривых зависимости доза-реакция, которые при предварительном анализе соответствовали фенотипам реакции.

Общее строение иммунной системы.
Watch this video on YouTube

Степень чувствительности

В некоторых случаях биомаркеры четко отражает их участие в патогенезе заболевания. Например, гистамин в аллергическом рините и цистенал лейкотриенов при бронхиальной астме, оба связаны с патологией и реагируют на медикаментозное вмешательство. Триптаза считается полезным диагностическим инструментом для измерения мастоцитов при мастоцитозе.

Аналог тучных клеток

Между тучными клетками и базофилами существует сходство во внешнем виде и функции. Оба типа хранят гистамин, который вырабатывают при стимуляции. Однако при схожести картинки возникают они из разных ветвей гематопоэза, и тучные клетки не циркулируют в кровотоке, а расположены в соединительной ткани. Базофилы, как и все циркулирующие гранулоциты, могут быть завербованы из крови в ткань, когда это необходимо. Базофилы, определенные Паулем Эрлихом в 1879 году, – наименее распространенные гранулоциты (и наиболее крупный тип), составляющие проценты (от 0,5 до 1) циркулирующих лейкоцитов.

Из-за относительной редкости, фенотипического и функционального сходства с тучными клетками они долгое время, до 1970-1980 считались популяцией гранулоцитов, лишенных уникальных функций. Кроме того, наличие базофилов в периферической крови позволяло получить их более легко, чем жировые тучные клетки, и в результате базофилы стали использоваться в качестве суррогатов для мастоцитов в функциональных анализах для лучшего понимания биологии гранулоцитов. Однако последующие исследования, непосредственно сравнивающие популяции мастоцитов и базофилов, стали выяснять, что базофилы проявляют уникальные феномены развития, фенотипические и функциональные особенности.

Вследствие повсеместного распространения тучные клетки проявляют высокую степень неоднородности и пластичности. Очевидно, что их созревание, фенотип и функция продиктованы местной микросредой, которая оказывает существенное влияние на способность распознавать и реагировать на раздражители. Во время жизни многочисленные факторы могут изменить фенотип. Комбинация этих изменений определяет гомеостатические или патофизиологические реакции мастоцитов.