АНТИМИКРОБНЫЕ ПЕПТИДЫ В НОРМЕ И ПРИ ПАТОЛОГИЯХ (ОБЗОР)

Аннотация:

Все многоклеточные организмы обладают врожденной системой иммунной защиты. Те компоненты, которые считаются частью врожденного иммунного ответа, у человека участвуют также в развитии острого воспаления, например, белки комплемента, цитокины, хемокины, простагландины, нейтрофилы и макрофаги. Антимикробные пептиды (АМП) относятся к мало изученным компонентам системы врожденного иммунитета. АМП представляют собой низкомолекулярные соединения, состоящие из остатков аминокислот и обладающие антимикробной активностью по отношению к широкому спектру грамотрицательных и грамположительных бактерий, вирусов, простейших и грибов. Эти пептиды служат в качестве первой линии защиты, которая присутствует конститутивно и может быть усилена при воспалении и травме. Они играют важную роль в адаптивном иммунном ответе, поскольку, наряду с прямыми антимикробными функциями, обладают иммуномодулирующей, цитотоксической и др. активностью, а также выступают в качестве медиаторов воспаления и влияют на хемотаксис. Большинство АМП характеризуются такими общими физико-химическими свойствами молекул, как высокий положительный заряд и амфипатичность, то есть пространственное разделение гидрофобных и гидрофильных участков, что обеспечивает взаимодействие с гидрофобным ядром липидной мембраны и полярным окружением. К одной из самых хорошо охарактеризованных групп АМП у позвоночных относятся дефензины. Они представляют собой небольшие молекулы, богатые остатками цистина и обладающие бета-шпилечной структурой, стабилизированной тремя дисульфидными связями. Было описано три подсемейства дефензинов: а-, бета- и тета-, которые различаются длиной и характером расположения дисульфидных связей. В организме человека синтезируются только альфа- и бета-дефензины. Циклические 9- дефензины обнаружены только у макаки-резус (Масаса mulatto). Наличием дисульфидных связей между 1—6, 2-4 и 3—5 остатками цистеина характеризуются а-дефензины, тогда как бета-дефензины образуют дисульфидные связи между остатками 1—5, 2—4 и 3-6. Дисульфидные связи обеспечивают устойчивость дефензинов к действию многочисленныхпротеиназ и сохранение антибиотических свойств в очагах воспаления. В 1980 г. а-дефензины были обнаружены впервые и выделены в отдельную группу. В настоящее время эта группа представлена нейтрофильными а-дефензинами (HNP-1, HNP-2, HNP-3, HNP-4) и кишечными а-дефензинами клеток Панета (HD5, HD6). Нейтрофильные а-дефензины принимают участие в антимикробной защите, а кишечные а-дефензины управляют жизнедеятельностью микрофлоры кишечника. Первый бета-дефензин человека (HBD-1) был выделен в начале 1990 гг. из гемофильтрата пациентов, которых лечили диализом. К настоящему времени на основе изучения генов предсказано существование 28 бета-дефензинов человека, однако широко известны только первые четыре их представителя, HBD-1, HBD-2, HBD-3 и HBD-4. Они синтезируются в большинстве эпителиальных клеток и присутствуют в секретах слизистых респираторного, желудочно-кишечного и урогенитального трактов, потовых желез, а также в коже при воспалении. Вырабатываются бета-дефензины также в моноцитах, макрофагах и дендритных клетках человека. HBD-1 конститутивно экспрессируется эпителиальными клетками респираторного тракта и мочеполовых путей, тогда как продукция остальных из них обычно индуцируется. HBD-2 и HBD-3 активируются при стимуляции микроорганизмами и такими микробными компонентами, как липополисахариды (ЛПС) и провоспалительные цитокины.Помимо а- и бета-дефензинов, наиболее распространенных АМП человека, были обнаружены кателицидины. В структуре их молекул присутствует консервативный N-концевой домен, гомологичный кателину — ингибитору катепсина L, и С-концевой домен, который обладает антимикробными свойствами. У человека предшественником кателицидина является белок hCAPIS с молекулярной массой 18 кДа. При действии прогеиназ керагиноцитов и нейтрофилов от С-концевого домена освобождается пептид, обозначенный, как LL-37, содержащий 37 аминокислотных остатков и в качестве N-концевых два остатка лейцина. Кателицидин был впервые обнаружен в раневой жидкости кожи при ее анализе на наличие соединений, которые могли бы ускорить ранозаживление путем индукции протеогликанов внеклеточного матрикса. LL-37 экспрессируется лейкоцитами, включая нейтрофилы, моноциты, тучные клетки, NK-, Т- и В-клетки. LL-37 также был обнаружен в плазме, костном мозге, дыхательных путях, в эпителии рта, языка, пищевода, шейки матки и вагины, в кишечнике, молочных железах, эпидидимисе и коже. Этот С-концевой фрагмент проявляет антимикробную активность как по отношению к грамотрицательным, так и грамположительным бактериям, а также грибам, некоторым вирусам и простейшим. LL-37 может связывать и нейтрализовать ЛПС, тем самым защищая организм от эндотоксического шока. Этот пептид стимулирует ангиогенез in vivo и in vitro, ускоряет реэпителизацию ран, вызывает хемотаксис нейтрофилов, моноцитов, тучных клеток и Т-клеток, а также обладает иммуномодулирующей, противоопухолевой и ранозаживляющей активностью. Катионные пептиды с молекулярной массой 3—5 кДа из слюны человека, богатые гистидином, которые также выделяются клетками протоков околоушной и подчелюстной железы, были объединены в семейство, названное гистатины. Эти пептиды были впервые описаны в начале 1970 гг., а позднее показано, что они обладают бактерицидными и фунгицидными свойствами. Гистатины являются частью врожденной иммунной системы и играют важную роль в поддержании здоровья полости рта, предотвращая ее инфицирование. К наиболее важными представителям семейства гистатинов относятся гистатин 1, 3 и 5. Было показано, что эти пептиды обладают линейной структурой и состоят из 38, 32 и 24 аминокислотных остатков соответственно, при этом каждый из них содержит семь остатков гистидина. Гистатин 5 характеризуется самым сильным антимикробным и фугицидным действием по отношению к патогенным грибам Candida albicans, Cryptococcus neoformans и Aspergillus fumigatus, и ингибирует продукцию воспалительных цитокинов фибробластами. В связи с этим он наиболее изучен. Гистатины способны осаждать танины при нейтральных значениях рН и высоких их концентрациях более эффективно, чем пролин-богатые белки. Благодаря способности связываться с гидроксиапатитом, гистатин 5 адсорбируется на поверхности зубов и эффективно ингибирует их колонизацию С. albicans 1171. Показано, что наименьший фрагмент гистатина 5, содержащий 12 аминокислотных остатков и обозначенный, как Р-113, сохранял активность по отношению к этим грибам. Этот пептид входит в состав препаратов для полоскания рта. Клинические испытания показали его безопасность для человека и эффективность действия содержащих его препаратов против зубного камня и гингивита. Они также уменьшают развитие кровотечения десен, гингивита и зубного камня в модели экспериментального гингивита человека. Семейство АМП S100A включает в себя пептид псориазин (S100A7) и кальпротектин. Псориазин, представляющий собой белок S100, связывающий Са2+, был обнаружен при псориатических поражениях. Его небольшие количества экспрессируются в нормальных эпителиальных клетках, он также может выделяться кератиноцитами при гипоксии и в присутствии активных форм кислорода. Точечная экспрессия псориазина обнаруживается в коже, в местах с высокой плотностью бактерий. Этот пептид накапливается в эпидермисе и сальных железах кожи и секретируется на внешнюю поверхность. Он проявляет антибактериальную активность преимущественно по отношению к Escherichia coli. Было также показано, что псориазин S100A7 обладает другими функциональными свойствами, поскольку он участвует в нескольких клеточных процессах, включая воспаление, пролиферацию, ангиогенез, прогрессирование опухоли и метастазирование. Пептид S100A7 стимулирует ангиогенез вследствие усиления действия фактора роста эндотелия сосудов (VEGF) на дермальные эндотелиальные клетки. Он секретируется опухолевыми клетками и действует на эндотелиальные клетки, окружающие опухоль, усиливая ее рост, ангиогенез и метастазирование. Таким образом, блокирование выделения S100A7 можно отнести к перспективному методу подавления воспаления и ангиогенеза. Другим членом семейства S100A с антимикробной активностью является кальпротектин, представляющий собой гетерокомплекс двух кальций-связывающих белков S100A8 и S100A9. Кальпротектин проявляет антибактериальные свойства по отношению к Е. coli, Klebsiella spp., Staphylococcus aureus и S. epidermidis, а также фунгистатическую активность по отношению к грибу С. albicans.Этот гетерокомплекс может играть определенную роль в воспалительных кожных заболеваниях. Экспрессия белков S100А7, S100A8 и S100A9 заметно увеличивается при псориазе, что указывает на их роль в патогенезе болезни. Белки S100A8 и S100A9 участвуют в ранозаживлении, восстанавливая кератиновый цитоскелет, действуя при этом в качестве хемоаттрактанта для воспалительных клеток и защищая от микроорганизмов. Еще одно семейство АМП представлено 8 катионными белками, действующими как РНКазы А человека (РНКазы 1-8). Среди 4 РНКаз (1, 4, 5 и 7), продуцируемых кератиноцитами, РНКаза 7 обладает наиболее высокой экспрессией. Этот фермент проявляет антимикробную активность по отношению к грамотрицательным и грамположительным бактериям, включая Е. coli, Pseudomonas aeruginosa, S. aureus, Enterococcus faecium и его резистентный к ванкомицину штамм, Propionibacterium acnes, и гриб С. albicans. РНКаза 7 была обнаружена в эпителии волосяного фолликула, в котором она выполняет роль защитного антимикробного агента. Экспрессия ее гена была также обнаружена в мочеполовой системе, дыхательных путях, скелетных и сердечных мышцах и желудочно-кишечном тракте. Хотя РНКаза 7 экспрессируется конститутивно, в кератиноцитах ее экспрессия может индуцироваться воспалительными цитокинами, бактериями или ультрафиолетовым излучением. АМП обладают активностью по отношению к широкому спектру грамположительных и грамотрицательных бактерий, дрожжей, грибов и вирусов. Механизм их действия включает электростатическое связывание положительно заряженных молекул пептидов с отрицательно заряженной наружной поверхностью патогена с последующим их введением в цитоплазматическую мембрану, что вызывает утечку содержимого клетки микроорганизма во внеклеточную среду. Амфипатическая структура АМП способствует проникновению в мембраны микроорганизмов, что приводит к ее пермеабилизации. В конечном итоге происходит потеря внутриклеточного содержимого и лизис микроорганизма. Мембранолитическое действие АМП можно описать с помощью трех основных моделей. 1. Ковровая модель. Пептиды адсорбируются на двухслойной поверхности, формируя сплошной слой или "ковер", и по мере увеличения их концентрации проникают в мембрану, формируя тороидальные поры. После достижения критической пороговой концентрации мембрана распадается и образует мицеллы. 2. Модель бочарной клепки. Пептиды встраиваются в мембрану таким образом, что их гидрофобные области ориентируются в сторону липидных хвостов фосфолипидов мембраны, а гидрофильные — формируют внутреннюю поверхность поры. 3. Модель тороидальных пор. Пептиды, адсорбировавшиеся на мембране, агрегируют и формируют поры таким образом, что их гидрофильные области остаются электростатически связанными с головками фосфолипидов. В результате образуется пора, стенки которой совместно выстилают гидрофильные участки молекул пептида и полярные головки фосфолипидов. Механизм действия гистатинов отличается от механизма действия большинства АМП. Так, вначале действия гистатин 5 связывается с рецептором, затем пептид поглощается клеткой, при этом останавливается клеточный цикл, наблюдается отток АТФ из клетки и вырабатываются активные формы кислорода. Утечка внутриклеточных ионов и АТФ из клетки микроорганизма приводит к ее гибели, которая похожа на осмотически индуцированную гибель клеток. При физиологических концентрациях гистатин 5 быстро транслоцируется в цитоплазму, его проникновение инициируется с одного пространственно ограниченного участка плазматической мембраны. В отличие от других АМП гистатины не разрушают липидные мембраны, а потеря целостности клеток представляет вторичный эффект после гибели клеток. Образование комплексов гистатинов с ионами металлов приводит к удалению из среды ротовой полости кофакторов ферментов и микроэлементов, необходимых для роста микроорганизмов. Поскольку АМП обладают множеством биологических функций и играют важную роль в патогенезе таких заболеваний, как атопический дерматит, псориаз, розацеа, системная склеродермия, системная красная волчанка, болезнь Костмана, болезнь Крона, семейная средиземноморская лихорадка и идиопатические воспалительные миопатии, они могут быть использованы при диагностике и лечении этих заболеваний. Атопический дерматит (АД) характеризуется нарушением функций кожного барьера, снижением гидратации кожи и нарушением врожденного иммунитета, что часто приводит к вирусными стафилококковым инфекциям. В коже больных АД снижено содержание таких АМП, как бета-дефензины и LL-37. Эти пептиды способны ингибировать рост Staphylococcus aureus, вирус простого герпеса и вирус коровьей оспы, которые периодически колонизируют кожу при АД. Следовательно, снижением экспрессии АМП можно частично объяснить высокую частоту инфекций при этом заболевании. Индукции АМП при АД препятствуют Тh2-цитокины, IL-4, IL-10 и IL-13, которые чрезмерно продуцируются в коже. Частоту инфекций у пациентов с АД можно уменьшить, контролируя аномальную продукцию Тh2-цитокинов. Однако АМП могут оказывать и вредное воздействие на пациентов с АД. Так, HBD стимулируют продукцию Т-клеткам и цитокинов IL-4, IL-13 и IL-31, которые участвуют в патогенезе. В коже больных псориазом кератиноциты аномально размножаются и дифференцируются. При этом Т- и плазмоцитоидные дендритные клетки чрезмерно активируются, а провоспалительные цитокины/хемокины непропорционально продуцируются. В псориатических кератиноцитах сверхэкспрессируются многочисленные АМП, включая белки hBD, LL-37, S100A и РНКазу 7. При этом hBD-З усиливает экспрессию кератиноцитами противовоспалительного цитокина IL-37. В свою очередь, LL-37 путем блокирования активации воспаления ингибирует высвобождение воспалительного цитокина IL-1бета. Белок S100A7 и комплекс S100A8/S100A9 индуцируют дифференцировку кератиноцитов, последний из которых также и подавляет их пролиферацию. Таким образом, белки S100A действуют как регуляторы эпидермальной дифференцировки и пролиферации, нарушения которых относят к основным характерным чертам псориаза. Действительно, недавно было показано, что АМП играют решающую роль в проявлении этого заболевания. Так, риск развития псориаза у людей, которые обладают более, чем пятью копиями гена бета-дефензина, увеличивается в пять раз по сравнению с теми, у которых присутствуют только две его копии. Белки LL-37, hBD-2 и hBD-З активируют плазмоцитоидные дендритные клетки, продуцирующие IFN-а, который при псориазе инициирует воспаление, что приводит к аутоиммунным ответам. Белки hBD, LL-37 и S100A индуцируют миграцию нейтрофилов, Т-клеток, дендритных клеток и моноцитов/макрофагов, которые тесно связаны с патогенезом этого заболевания, а также увеличивают пролиферацию и миграцию эндотелиальных клеток, приводя к ангиогенезу и неоваскуляризации. АМП стимулируют выработку цитокинов/хемокинов, которые участвуют в развитии псориаза. Таким образом, АМП проявляют себя как про-, так и противовоспалительными регуляторы. Однако не ясно, какой из этих эффектов станет преобладать. В настоящее время патофизиология розацеа остается не выясненной полностью. Она включает в себя множество факторов, приводящих к хроническим воспалительным процессам и сосудистым реакциям. Было показано, что воспалительное обострение розацеа связано с увеличением продукции белка LL-37. Так, в коже больных розацеа наблюдается повышенное содержание его фрагментов и возрастание активности калликреина 5, который расщепляет hCAP18 до LL-37. Показано, что повышенная продукция пептидов LL-37 вызывает у мышей эритему, расширение сосудов и телеангиэктазию, которые являются характерными особенностями этого заболевания. Однако механизмы, приводящие к увеличению продукции LL-37 при розацеа, полностью не выяснены, но есть исследования, показывающие, что в этом процессе задействованы, как витамин D, так и TLR2. Стрессовые факторы воздействуют на эндоплазматический ретикулум, увеличивая экспрессию TLR2, что приводит к сверхэкспрессии LL-37 и калликреина 5, которые опосредуют воспаление при розацеа. Сверхэкспрессия LL-37 также индуцируется через метаболический путь витамина D, поэтому розацеа преимущественно подвержены центральные участки лица, которые постоянно подвергаются воздействию ультрафиолетового излучения. Оба пути сверхэкспрессии LL-37 активируют калликреин 5 и могут быть использованы при лечении розацеа для уменьшения воспалительных реакций. Хотя патогенез системной склеродермии (СС) остается не ясным, различные цитокины / хемокины и факторы роста, а также нарушение связи между эндотелием, эпителием и фибробластами играют важную роль при этом заболевании. Поскольку было показано, что при этом сверхэкспрессируются АМП, то они могут быть вовлечены в его патогенез. Так, в поврежденной коже пациентов с СС наблюдается увеличение продукции трех белков hBD (hBD-1, —2 и —3), а в сыворотке, дермальных фибробластах, кератиноцитах — повышенный уровень LL-37. В слюне пациентов с СС были идентифицированы S100A7 и S100А8/А9. При СС задерживается заживление ран. Можно предположить, что увеличение уровня белков hBD, LL-37 и S100A при СС связано с их защитной от инфекции ролью. Поскольку hBD, LL-37 и S100A7 способны ускорять процесс заживления ран, повышение активности этих АМП при СС может оказывать определенную пользу. Увеличение содержания АМП также связано с патогенезом болезни. Увеличение уровня LL-37 в сыворотке, кератиноцитах и фибробластах пациентовс СС коррелировало со степенью тяжести заболевания и его клиническими проявлениями. Так, повышенные уровни hBD и LL-37 индуцировали неоваскуляризацию, а а-дефензины оказывали антиангиогенное действие, поскольку они ингибировали индуцированную VEGF неоваскуляризацию. Высокие уровни S100A7 в слюне коррелируют с тяжестью поражения легких у пациентов с СС. Таким образом, изменения в экспрессии АМП могут быть связаны с патогенезом и проявлениями СС. Однако для подтверждения этого необходимо более детальное изучение этого процесса. Системная красная волчанка (СКВ) характеризуется хронической активацией плазмоцитоидных дендритных клеток и продуцированием аутоантител против множества ядерных антигенов, в частности против двухцепочечной ДНК. Точная этиология СКВ остается не выясненной. Важно отметить, что большинство цитокинов, продуцируемых при СКВ, таких как IFN-, IL-1бета и TNF-a являются сильными индукторами hBD, LL-37 и S100A7, поэтому, эти АМП присутствуют в большом количестве при СКВ. У пациентов с СКВ редко наблюдаются кожные инфекции благодаря высокой концентрации АМП. hBD-З и LL-37 ингибируют апоптоз нейтрофилов, что может быть использовано при диагностике СКВ, так как число апоптотических нейтрофилов заметно увеличивается в сыворотке пациентов и коррелирует с активностью заболевания. Осуществляя защитную функцию АМП участвуют и в патогенезе СКВ. Так, HBD и LL-37 стимулируют выработку кератиноцитами IL-6, IL-10 и IL-18, которые вызывают воспалительные реакции при СКВ. При этом в сыворотке больных увеличивается концентрация белка hBD-2 и антител к двухцепочечной ДНК, которые вместе с циркулирующими комплексами антиген-антитело относятся к признакам СКВ. При СКВ HNP и LL-37 служат в качестве аутоантигенов, а антитела против них связаны с антителами к двухцепочечной ДНК и уровнем IFN-a в сыворотке пациентов. Таким образом, АМП, вовлеченные в патогенез СКВ, могут быть использованы для разработки перспективных методов лечения этого заболевания. Отсутствие функциональных АМП наблюдается у пациентов с синдромом Костмана, который сопровождается тяжелой врожденной нейтропенией. Эти пациенты восприимчивы к частым инфекциям и периодонтальным заболеваниям. Увеличение общего количества нейтрофилов у них может быть достигнуто с помощью гранулоцитарного колониестимулирующего фактора. Однако при нормализации содержания нейтрофилов, пациенты с синдромом Костмана продолжают испытывать рецидивирующие инфекции и тяжелую болезнь пародонта. Анализ нейтрофилов у этих пациентов показывает пониженный уровень а-дефензина и отсутствие LL-37, которое, по-видимому, связано с отсутствием расщепления hCAPIS. Болезнь Крона (БК) представляет собой хроническое воспаление слизистой оболочки кишечника, характеризующееся периодами острого рецидива и ремиссии. В зависимости от конкретного региона, БК классифицируется, как БК подвздошной кишки или толстой кишки. Снижение иммунной толерантности к компонентам кишечной комменсальной микрофлоры и воспаление кишечного барьера типично для пациентов с БК. Было показано, что экспрессия АМП кишечника у пациентов с БК изменена по сравнению с контрольными. При БК подвздошной кишки наблюдается отсутствие клеток Панета и, как следствие, уменьшение продукции HD5 и HD6, в то время как при БК толстой кишки — увеличение продукции HBD-1 HBD-2. Семейная средиземноморская лихорадка (CCЛ) характеризуется рецидивирующим воспалением серозных и синовиальных мембран. Это генетическое заболевание, однако, факторы окружающей среды, включая инфекции, запускают механизмы, вызывающие приступы CCЛ. Было обнаружено, что содержание сывороточных LL-37 и дефензинов а-1, бета-1 и бета-2 оказалось значительно выше у пациентов с CCЛ по сравнению со здоровыми людьми как в начале, так и через 6 мес после начала колхициновой терапии. Таким образом, АМП могут играть роль в патогенезе CCЛ. Спорадический сердечный миозит (ССМ) и полимиозит (ПМ) характеризуются мышечным воспалением, при этом при ССМ проявляются дополнительные дегенеративные изменения. Для выяснения роли врожденной иммунной системы при идиопатических воспалительных миоиатиях были изучены бета-дефензины человека и связанные с ними TLR, а также их связь с воспалительными и дегенеративными изменениями. Было показано, что содержание HBD-З и TLR2, 3, 4 и 7 чрезмерно увеличивалось, как при ССМ, так и при ПМ, при этом при первом — обнаруживалась избыточная экспрессия TLR3. Характерные внутриклеточные скопления HBD-З вблизи маркеров дегенерации и аутофагии наблюдались при ССМ, а также были обнаружены в воспалительных инфильтратах и макрофагах некротических мышечных волокон при обоих заболеваниях. Это свидетельствует о различных патогенетических механизмах. Синергизм а- и бета-дефензинов и гистатина оказывает антимикробное действие. В связи с этим АМП могут быть использованы для лечения таких заболеваний полости рта, вызванных развитиембиопленки микроорганизмов, как кариес, рефрактерный и апиакальный периодонтит, кандидозы и возможные инфекции при имплантациях. АМП уменьшают адгезию микроорганизмов к поверхности зубов, предотвращают созревание биопленок, нейтрализуют эффект эндотоксинов и усиливают иммунный ответ на биопленки. Гистатины вследствие отличного от остальных АМП механизма действия обеспечивают видоспецифичное уничтожение С. albicans с минимальным повреждением микрофлоры человека. Несмотря на то, что обнаружены и описаны многочисленные функции АМП, необходимо дальнейшее изучение клеточных и молекулярных механизмов их действия. Эти знания необходимы не только для полного понимания патофизиологии различных заболеваний, в патогенезе которых участвуют АМП, но и позволят использовать их для усовершенствования обычных методов лечения этих заболеваний.

Авторы:

Издание: Прикладная биохимия и микробиология
Год издания: 2018
Объем: 8с.
Дополнительная информация: 2018.-N 3.-С.236-243. Библ. 56 назв.
Просмотров: 737