Поиск Кабинет

Механизмы иммуномодулирующего действия мезенхимных стволовых клеток

Гены & Клетки: Том VI, №2, 2011 год, стр.: 27-31

 

Авторы

Иванюк Д.И., Турчин В.В., Попандопуло А.Г., Гринь В.К.

ДЛЯ ТОГО ЧТОБЫ СКАЧАТЬ СТАТЬЮ В ФОРМАТЕ PDF ВАМ НЕОБХОДИМО АВТОРИЗОВАТЬСЯ, ЛИБО ЗАРЕГИСТРИРОВАТЬСЯ

Мезенхимные стволовые клетки (МСК) выполняют различные функц ии в организме, обладают высокой пролиферативной активностью и мультипотентными свойствами, то есть способны дифференцироваться в клетки мезодермальной (остеобласты, хондроциты, адипоциты) и других линий. МСК также способны (прямо и опосредованно) взаимодействовать практически со всеми клетками иммунной системы посредством растворимых факторов и клеточноконтактным взаимодействием и, таким образом, в значительной степени модулировать иммунный ответ организма. МСК могут найти своё применение в медицинской практике как безопасное иммуномодулирующее средство при аллогенных трансплантациях и лечении ряда аутоиммунных заболеваний. В данном обзоре обсуждаются взаимодействие МСК с клетками иммунной системы, а также механизмы МСК-индуцированной иммуносупрессии.

Уже достаточно хорошо изучены и широко применяются в клинике мультипотентные свойства мезенхимных стволовых клеток (МСК), а именно их способность генерировать клетки костной, хрящевой, жировой [1] и других тканей. Кроме этого, МСК обладают еще одним важным свойством – способностью активно взаимодействовать и изменять активность практически всех клеток иммунной системы (ИС), создавая иммунотолерантную среду как для самих МСК, так и для окружающих клеток и тканей. Иммуномодулирующие свойства позволяют рассматривать МСК в качестве безопасного средства преодоления патологических воспалительных процессов и обеспечения иммунной толерантности при органной трансплантации [2] и аутоиммунных заболеваниях [3, 4]. МСК способны как прямо воздействовать на клетки иммунной системы, так и опосредованно (через другие клетки ИС). МСК осуществляют свое иммуномодулирующее действие посредством различных механизмов, включающих в себя секрецию растворимых факторов [5, 6] и клеточно-контактное взаимодействие с клетками-мишенями [7]. Среди важнейших растворимых факторов МСК, оказывающих иммуномодулирующее действие на клетки иммунной системы, следует отметить трансформирующий фактор роста β (ТGF-β) [8], интерлейкин (IL) 10 [9], простогландин Е2 (PGE2) [8], фактор роста гепатоцитов (HGF) [10], индоламин-2,3-диоксигеназу (IDO) [5], моноксид азота (NO) [11, 12], гемоксигеназу 1 (HO-1) [13], растворимый фактор HLA-G5 [14]. Одни факторы постоянно продуцируются МСК в норме [15] и усиливаются при взаимодействии с клетками ИС (ТGF-β, PGE2), в то время как другие продуцируются исключительно после взаимодействия с клетками ИС (IDO, NO) [12]. Перспективы клинического применения иммуномодулирующих свойств МСК для лечения аутоиммунных заболеваний и иммунологических осложнений в трансплантологии позволяют считать МСК одним из наиболее ценных объектов для мировой медико-биологической науки.

Влияние МСК на Т−лимфоциты

Важнейшими и наиболее изученными объектами иммуномодулирующего действия МСК в организме млекопитающих (в том числе и человека) являются Т-лимфоциты. Большим количеством работ показано, что МСК способны подавлять пролиферацию Т-лимфоцитов, активированных поликлональными митогенами, аллогенными клетками или специфическими антигенами [5–7, 11, 12, 16–19]. Ингибирование пролиферации не зависит от основного комплекса гистосовместимости (main histocompatibility complex, MHC) и вызывается как ауто-, так и аллогенными МСК [6, 11]. По мнению ряда исследователей [6, 7, 17], основной эффект действия МСК проявляется в анергии Т-лимфоцитов, снижении уровня их пролиферации и индукции перехода Т-клеток в G0/G1 фазу клеточного цикла, вследствие снижения фосфорилирования циклина D2 и активации белка p27 [17], но не посредством активации механизмов апоптоза [6, 11]. Кроме пролиферации, МСК также подавляют цитотоксическую функцию CD8+ Т-лимфоцитов (cytotoxic T-lymphocyte, Тcyt), но данный эффект не наблюдается, если Тcyt лимфоциты были ранее активированы [20]. Существует, однако, мнение, что данный эффект связан со снижением абсолютного числа Тcyt, а не с прямым подавлением цитолитической активности [21].

Важные результаты были получены при изучении влияния МСК на популяцию Т-хелперов (T-helper, Тh). В ряде исследований in vitro под влиянием МСК наблюдалось смещение в функциональной активности Т-хелперов от субпопуляции Тh1, продуцирующей провоспалительный IL-2 и интерферон-γ (IFNγ), в сторону субпопуляции Тh2, продуцирующей антивоспалительные IL-4 и IL-10 [6, 17, 22, 23]. Вместе с этим, в моделях аутоиммунных и аллергических заболеваний in vivo с преобладанием субпопуляции Тh2 и пониженной активностью Тh1 при введении МСК наблюдалось снижение уровня характерных для Тh2 интерлейкинов и нормализация баланса Тh1/Тh2, что приводило к положительным изменениям клинических показателей [3, 24].

В ряде исследований было показано, что секретируемый МСК фактор HLA-G5 способствует пролиферации и увеличению доли функциональных Т-регуляторных лимфоцитов (T-regulatory lymphocytes, Treg) in vitro и in vivo, характеризующихся фенотипом CD4+/CD25+/Foxp3+ и регулирующих активность Тcyt и Тh [8, 14, 16].

Рецептор программированной гибели 1 (PD-1) играет важную роль в подавлении функции Т-лимфоцитов по механизму контактного ингибирования [7, 15, 17, 25, 26]. МСК экспрессируют мембранные лиганды к данному рецептору (PD-L1 и PD-L2), которые, связываясь с рецептором PD-1 Т-лимфоцитов, снижают продукцию ими цитокинов, а также приводят к блокировке клеточного цикла в фазе G0/G1 [26].

Согласно результатам многочисленных исследований [5, 11, 12, 15, 18, 25, 27, 28], иммуносупрессивные свойства МСК активируются при взаимодействии с «воспалительным окружением», в частности с IFNγ. G. Ren с соавт. (2008, 2009, 2010) в работах на мышиных МСК показали сопряженность иммуносупрессии МСК с действием IFNγ и одним из провоспалительных цитокинов: TNF-α, IL-1α или IL-1β [12, 18, 27]. Данная комбинация факторов приводила к повышенной продукции МСК NO-синтазы и, как следствие, моноксида азота (NO), а также хемокинов CCL9, CCL11 и CCL12 [12] и к повышенной экспрессии молекул адгезии ICAM-1 и VCAM-1 [27]. В работах данных авторов представлена модель, позволяющая объяснить эффект иммуносупрессии МСК: NO подавляет пролиферацию Т-лимфоцитов, нарушая активацию сигнального пути Stat5, приводя, таким образом, к блокировке клеточного цикла, в то время как выделяемые МСК цитокины способствуют миграции Т-клеток непосредственно в зону высокой концентрации NO [11]. Повышенная же экспрессия молекул ICAM-1 и VCAM-1 приводит к «адгезии» Т-лимфоцитов к МСК и удержанию иммунных клеток в зоне действия высокой концентрации активной формы NO [27]. Нестабильность молекулы NO объясняет необходимость клеточного контакта для МСК-опосредованной иммуносупрессии Т-клеток. В подтверждение этой модели свидетельствуют результаты, в соответствии с которыми под действием IFNγ на МСК с выключенным геном iNO-синтазы, либо ингибитора iNO-синтазы (L-NAME) на МСК повышалась продукция воспалительных хемокинов. При таких условиях МСК не были способны подавлять пролиферацию Т-лимфоцитов, активно мигрировавших к ним как in vitro, так и in vivo [2]. Эти данные свидетельствуют о ведущей роли NO-зависимого механизма в реализации иммуносупрессивной функции МСК на Т-лимфоциты.

Аналогичный механизм был показан в работах с человеческими МСК (чМСК). После активации IFNγ и TNFα, чМСК усиливали секрецию хемокинов CXCL9-11 (лиганды рецептора CXCR3), а также лигандов к рецепторам CXCR 1 и 2, вызывающих миграцию Т-лимфоцитов и подавляющих пролиферацию мононуклеаров периферической крови [18]. Однако, в отличие от мышиных МСК, чМСК в ответ на воздействие воспалительных цитокинов усиливают экспрессию не iNO-синтазы, а индоламин2,3-диоксигеназы (IDO) [5, 18, 29]. Ингибитор IDO 1-метил-триптофан (1-МТ) эффективно блокировал, а ингибитор iNO-синтазы L-NAME не оказывал влияния на уровень пролиферации Т-лимфоцитов, так же, как и блокирующие антитела к TGF-β, IL-10 и циклооксигеназе-2 (COX-2), продуцирующей PGЕ2 [18]. IDO катализирует реакцию деградации триптофана (незаменимой аминокислоты) по кинурениновому пути, приводящую к местному снижению концентрации триптофана и повышению содержания его промежуточных метаболитов. Истощение триптофана приводит к активации генов, останавливающих клеточную пролиферацию, а промежуточные метаболиты подавляют пролиферацию и модулируют иммунный ответ Т-клеток [18]. Таким образом, несмотря на общий механизм, требующий активации МСК и повышенной миграции Т-лимфоцитов, наблюдается межвидовая вариация молекул-эффекторов иммуносупрессивного действия МСК.

В ряде работ [29–33] показано ограниченное влияние МСК на активацию Т-клеток под действием вирусных и бактериальных агентов. МСК экспрессируют толл-подобные мембранные рецепторы (toll-like receptor, TLR), взаимодействие которых с лигандами патогена индуцирует пролиферацию, миграцию и дифференцировку МСК. Также показано, что взаимодействие МСК с лигандами TLR3 (участками двойной спирали РНК вирусов) и TLR4 (липополисахаридами (ЛПС) бактериальной клеточной стенки) приводит к ингибированию сигнального пути Notch и снижению иммуносупрессивного действия МСК на CD4+ Т-лимфоциты [32]. Таким образом, молекулы патогена могут блокировать иммуносупрессивный эффект МСК и восстанавливать необходимую реактивность Т-клеток к инфекционным агентам. Согласно результатам другой модели бактериальной инфекции, одновременное кокультивирование МСК и Т-лимфоцитов с ЛПС блокирует иммуносупрессивный эффект МСК, в то время как предварительная стимуляция МСК ЛПС приводит к усилению супрессивного действия МСК на Т-клетки [29].

Следует заключить, что иммуносупрессивное влияние МСК на Т-клеточное звено иммунной системы осуществляется посредством большого числа механизмов, включающих как растворимые факторы, так и межклеточные взаимодействия. Иммуносупрессивные свойства МСК имеют видоспецифические особенности, а также в значительной мере зависят от микроокружения, экзогенных патогенных факторов и текущего состояния организма.

Влияние МСК на клетки−киллеры

МСК также оказывают иммуносупрессивное действие на клетки-киллеры, снижая их пролиферацию и уровень продукции IFNγ [19], а также их цитотоксическую активность [14, 34]. P.A. Sotiropoulou с соавт. (2006) в своей работе показали, что МСК снижают цитотоксическую активность клеток-киллеров только против клеток, экспрессирующих MHC I [34]. Этими же авторами было показано, что МСК осуществляют свои иммуносупрессивные эффекты на клетки-киллеры посредством межклеточных взаимодействий, а также секретируемыми факторами, наиболее важными среди которых являются TGFβ1 и PGE2 [33, 34]. Таким образом, МСК оказывают супрессивное действие на клетки-киллеры посредством различных механизмов, снижая их собственную функциональную активность и ограничивая их взаимодействие с другими клетками иммунной системы.

Влияние МСК на В−лимфоциты

МСК также воздействуют на В-клеточное звено иммунной системы [28, 35, 36]. Группой А. Corcione (2006) было показано, что В-лимфоциты в присутствии МСК снижают уровень пролиферации по механизму блокировки G0/G1 фазы клеточного цикла (аналогично эффекту МСК на Т-лимфоциты), а также препятствуют дифференцировке активированных В-лимфоцитов в плазматические клетки (ПК). Также было отмечено, что МСК влияют на хемотаксические свойства В-лимфоцитов, понижая уровень экспрессии рецепторов CXCR4, CXCR5 и CCR7, необходимых для миграции В-лимфоцитов во вторичные лимфоидные органы [35]. В работе М. Krampera с соавт. (2006) показано, что супрессивный эффект МСК на В-клетки проявляется только в ответ на увеличение уровня IFN-γ, продуцируемого активированными Т-клетками и клетками-киллерами [28]. Таким образом, МСК осуществляют супрессию В-звена иммунной системы опосредованно через Т-звено. Объектом иммуносупрессивного действия МСК являются и сами ПК [36]. Было показано, что при совместном культивировании МСК подавляют продукцию иммуноглобулинов плазмоцитами, не нарушая при этом их пролиферацию [36]. В основе механизма такого действия МСК лежит блокировка сигнального пути STAT-3, отвечающего за дифференцировку В-клеток в ПК. Модифицированный матричной металлопротеиназой цитокин CCL2 блокирует сигнальный путь STAT-3 и стимулирует экспрессию протеина PAX5, в норме определяющийся на ранних стадиях дифференцировки В-лимфоцитов в ПК [36]. Таким образом, плазматические клетки переводятся на более низкую стадию дифференцировки с подавлением продукции иммуноглобулинов.

Влияние МСК на дендритные клетки

Одной из сторон иммуносупрессивного действия МСК является их влияние на антигенпрезентирующие клетки (АПК): дендритные клетки (ДК), моноциты и макрофаги [19, 37-39]. Дифференцированные ДК – наиболее эффективные АПК. После совместного культивирования с МСК, ДК снижают уровень экспрессии мембранных молекул CD80, CD86 и CD40 MHC II, отвечающих за активацию Т-лимфоцитов, а также снижают синтез IL-12 [37]. Кроме того, МСК резко подавляют способность моноцитов периферической крови дифференцироваться в дендритные клетки [38]. Также показано, что МСК вызывают снижение секреции TNFα, являющегося воспалительным фактором, и усиление секреции IL-10 (противовоспалительный цитокин) ДК [19]. Описанные эффекты G.M. Spaggiari с соавт. (2009) связывают с увеличением уровня IL-6 при совместном культивировании моноцитов с МСК [39]. Предположительно, уровень IL-6 увеличивается в ответ на усиление экспрессии простагландина Е2 (PGE2), который непрерывно вырабатывается МСК в норме и усиливается при совместном культивировании МСК с мононуклеарами периферической крови [26, 37]. Таким образом, МСК ингибируют дифференцировку ДК, а также переводят ДК в неактивное состояние посредством растворимых факторов (прежде всего IL-6), снижая их функцию презентации антигена и опосредованно влияя на Т-звено иммунной системы.

Влияние МСК на нейтрофилы

Известно, что красный костный мозг является местом аккумуляции большого числа нейтрофилов, которые постоянно взаимодействуют с МСК [40]. Результатом воздействия МСК на нейтрофилы является снижение их реактивности: блокировка активации и снижение «реакции кислородного взрыва». МСК также препятствуют реализации нейтрофилами апоптоза, при этом фагоцитарная функция, хемотаксис и экспрессия адгезивных молекул не изменяются [40]. Было показано, что описанные эффекты в большей степени зависят от растворимых факторов, среди которых наибольшее значение имеет IL-6, уровень которого значительно возрастает при совместном культивировании МСК и нейтрофилов [40]. Возможно, уровень IL-6 увеличивается в ответ на усиление синтеза PGE2, аналогично процессам описанным F. Djouad (2007). Группой L. Raffaghello (2008) было также показано, что IL-6 действует как активатор STAT-3 сигнального пути у нейтрофилов, обеспечивающего антиапоптозный эффект [40].

МСК как антиген−презентирующие клетки

При определенных условиях среды МСК могут приобретать свойства АПК [41–43]. Под действием низких доз IFNγ МСК экспрессируют MHC II и способны вызывать пролиферацию CD4+ T-клеток в смешанной лимфоцитарной реакции [41, 42]. При повышении концентрации IFNγ уровень экспрессии MHC II снижается параллельно со снижением аллогенного потенциала – способности активировать иммуннокомпетентные клетки [42]. Подобный механизм может обеспечить функционирование МСК как АПК на ранних стадиях иммунного ответа и переключение впоследствии на иммуносупрессивное действие [41]. Таким образом, МСК могут участвовать в модуляции иммунного ответа при развитии инфекционного процесса и усиливать воспалительную реакцию. Однако, как показано в работе L. Zangi с соавт. (2009), аллогенные МСК при некоторых условиях могут вызывать отторжение, формирование антиген-реактивных Т-клеток иммунной памяти и последующий их пролиферативный ответ при повторном введении МСК [43].

МСК как иммуномодулирующее средство в клинике: за и против

Предшествуя клиническому применению иммуномодулирующих свойств МСК, были проведены многочисленные экспериментальные и доклинические исследования на моделях аутоиммунных заболеваний. Например, в работе с индуцированным фиброзом легких у мышей показано, что трансплантация МСК через яремную вену после эндотрахеального введения блеомицина мышам приводило к снижению миграции макрофагов, но не нейтрофилов, в ткань легких [44]. Также содержание профибротических цитокинов (TNF-a, IL-1a) в бронхо-альвеолярной жидкости было снижено в группе с параллельным введением МСК. Кроме того, применение МСК снижало индуцированный IL-1a апоптоз клеток альвеолярного эпителия. Способность МСК к хомингу в ткань легких и возможность применения МСК в остром периоде заболевания в данной модели приводило к выраженному снижению вызванного блеомицином повреждения легких. Применение МСК одновременно с сенсибилизирующим антигеном в модели астмы у мышей способствовало защите животных от большинства специфических патологических изменений, вызванных астмой, включая инфильтрацию ткани легких эозинофилами, повышенную продукцию слизи в легких, а также приводило к снижению уровня IL-4, IL-5, IL-13 в бронхиальном лаваже и уровня иммуноглобулинов А и Е [45]. Применение аллогенных МСК в мышиной модели системной красной волчанки приводило к понижению концентраций циркулирующих аутоантител, нормализации уровня креатинина и белка в плазме крови и моче, что указывало на восстановление функции почек [3]. При гистологическом исследовании наблюдалось снижение уровня инфильтрации ткани печени. Определялась также реконструкция ниши остеобластов в красном костном мозге. Результатом использования МСК в мышиной модели сахарного диабета I типа явилось усиление секреции инсулина поджелудочной железой и поддержание нормогликемии [46]. В исследованиях in vitro иммуносупрессивных эффектов МСК при коллаген-индуцированном артрите у человека определялось подавление МСК активности Т-лимфоцитов, реактивных к коллагену II типа [47].

К настоящему моменту были проведены и проводятся расширенные клинические испытания, целью которых служит подтверждение эффективности алло-МСК-терапии при пересадке костного мозга (снижение реакции отторжения) [2], а также при таких аутоиммунных заболеваниях как болезнь Крона [48], ревматоидный артрит [49], системная красная волчанка [50], системная склеродермия [51] и прочие.

Аллогенные МСК можно считать уникальным трансплантационным материалом, обладающим способностью дифференцироваться в клетки мезенхимальной и других линий, и, благодаря своим иммуномодулирующим свойствам, обеспечивать иммунотолерантную среду. Так МСК амниотической мембраны при трансплантации в зону инфаркта способны активировать Тreg клетки и восстанавливать Т-хелперный баланс цитокинов, что значительно снижает вероятность отторжения [52]. МСК способны дифференцироваться в кардиомиобласты in situ и сохраняться на протяжении 4 недель после трансплантации без применения иммуносупрессантов.

Хотя в большинстве случаев результаты клинических испытаний свидетельствуют о положительных эффектах использования МСК [2, 3], подавление иммунитета потенциально повышает восприимчивость организма к бактериальным и вирусным инфекциям, что может затруднять их клиническое применение [29–33]. Также существует опасность, что иммуносупрессивные свойства МСК могут способствовать канцерогенезу [53]. МСК могут активно интегрироваться в строму опухоли [54], а выделяемый ими TGF-β поддерживает рост клеток рака молочной железы [55]. Исследованиями S.A. Patel с соавт. (2010) показано, что стимуляция активности Тreg клеток и снижение активности Тcyt лимфоцитов, а также понижение уровня экспрессии CXCL12 снижает способность лейкоцитов крови мигрировать к раковым клеткам, предопределяя, таким образом, невозможность организма противодействовать канцерогенезу [55]. Вне зависимости от механизмов взаимодействия МСК, иммунных и раковых клеток, возможный риск стимуляции роста ранее не выявленной опухоли должен быть учтен.

Таким образом, результаты многочисленных исследований доказывают положительный терапевтический эффект клинического применения МСК в качестве иммуносупрессивного компонента, но также указывают на необходимость осторожного их использования в клинике.

Заключение

Несмотря на то, что первоначальный интерес к МСК был связан с потенциальной способностью дифференцироваться в клетки различных линий, их антипролиферативные и иммуномодулирующие свойства представляют собой весьма привлекательное направление для клинического применения. Будучи активированными сигналами воспалительного микроокружения, МСК способны комплексно влиять на клетки иммунной системы посредством контактных и гуморальных механизмов, приводя к блокированию клеточного цикла и снижению клеточной реактивности, а также стимулируя ауторегуляторную функцию лейкоцитов. Иммуномодулирующие свойства МСК имеют видоспецифические особенности и зависят от микроокружения. Иммуносупрессивный эффект МСК при определенных условиях может способствовать канцерогенезу, что в определенной степени является препятствием для выполнения «МСК-терапии» в клинике. Изучение иммуномодулирующего потенциала МСК позволит детализировать и, как следствие, найти новые терапевтические пути в устранении патологических воспалительных процессов.

Подняться вверх сайта