Статья на конкурс «био/мол/текст»: Клетки иммунной системы путешествуют по лимфе и кровотоку в поисках антигена, который можно распознать и начать защитную иммунную реакцию. Но значительная часть Т-лимфоцитов находится не в крови и не в лимфоузлах, а в органах, не относящихся к иммунной системе. Эта статья рассказывает, чем заняты резидентные Т-клетки тканей, как они туда попадают и какие преимущества для медицины может дать их изучение.
Обратите внимание!
Эта работа заняла первое место в номинации «Лучшая статья по иммунологии» конкурса «био/мол/текст»-2015.
Спонсором номинации «Лучшая статья о механизмах старения и долголетия» является фонд «Наука за продление жизни». Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма Helicon.
Спонсоры конкурса: Лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и Студия научной графики, анимации и моделирования Visual Science.
Адекватная защитная реакция при заражении патогенным вирусом — уничтожить зараженные клетки, не допустив распространения инфекции по организму и гибели большего числа клеток. Зараженная вирусом клетка может заметить в себе вирус и начать аутофагию либо апоптоз — или получить инструкцию для программируемой клеточной гибели от Т-киллера.
Цитотоксический Т-лимфоцит, или Т-киллер — вершина эволюции адаптивного иммунитета, ведь для распознавания фрагмента вируса (антигена) на зараженной клетке он использует Т-клеточный рецептор, случайно и независимо собирающийся на каждой Т-клетке в тимусе. Не имеющий аналогов вне адаптивной иммунной системы позвоночных механизм сборки Т-клеточного рецептора использует преимущества, полученные позвоночными при дупликациях генома в процессе эволюции и протекает с участием особых белков-рекомбиназ, когда-то заимствованных у ДНК-транспозонов (см. подробнее в статье Чудакова «Анализ индивидуальных репертуаров Т-клеточных рецепторов»).
Классическая иммунология человека построена на изучении иммунных клеток крови просто в силу того, что анализ крови можно взять у любого пациента, исследовать в норме и в патологии. Именно на клетках крови была выстроена классификация Т-лимфоцитов: деление на Т-киллеры и Т-хелперы, которые проверяют антигенную специфичность Т-киллеров, выдают им «лицензию на убийство» и способны управлять всем ходом иммунного ответа через сигнальные растворимые молекулы — цитокины. А также более позднее выделение из ветви Т-хелперов группы регуляторных Т-клеток, подавляющих избыточный адаптивный иммунитет.
Но как нам напоминает реклама йогурта, значительная часть клеток иммунной системы сосредоточена вокруг слизистой оболочки пищеварительного тракта и в других тканях. В то время как в 5–6 литрах крови взрослого человека находится около 6–15 миллиардов лимфоцитов, то число Т-клеток, находящихся в эпидермисе и коже, оценивают в 20 млрд [1], в печени взрослого мужчины — еще 4 млрд [2]. Достаточно ли изучения клеток крови для полного описания функций Т-клеток, если в периферических органах Т-клеток больше, чем в кровотоке? И достаточно ли классических субпопуляций, чтобы описать все типы Т-клеток, находящихся в организме человека?
Жизненный цикл Т-лимфоцита
Каждая Т-клетка после сборки Т-клеточного рецептора проходит тестирование на функциональность случайно собранного рецептора (положительная селекция) и отсутствие специфичности к собственным антигенам организма (отрицательная селекция), то есть на отсутствие очевидной аутоиммунной угрозы. Этапы селекции происходят в вилочковой железе, тимусе; при этом более 90% клеток-предшественников погибает, не сумев правильно собрать рецептор либо пройти селективный отбор. Выжившие Т-клетки пролиферируют и выходят из тимуса в кровоток — это наивные Т-лимфоциты, не встречавшиеся с антигеном. Наивная Т-клетка циркулирует по крови и периодически заходит в лимфоузлы, где в Т-клеточной зоне контактирует со специализированными антигенпрезентирующими клетками.
После встречи с антигеном в лимфоузле Т-клетка приобретает способность снова делиться — становится предшественницей Т-клеток памяти (TSCM, stem cell memory T cells). Cреди клона её потомков появляются клетки центральной памяти (TCM), короткоживущие эффекторные клетки, осуществляющие иммунную реакцию (SLEC или TEMRA-клетки), и эффекторные клетки-предшественники памяти TEM, в свою очередь при делении дающие TEMRA[3]. Все эти клетки выходят из лимфоузла и перемещаются по крови. Эффекторные клетки затем могут выйти из кровотока для осуществления иммунной реакции в периферической ткани органа, где находится патоген. Что потом — снова путешествие по крови и лимфоузлам?
Рисунок 1. Эмиграция эффекторной Т-клетки в ткань при вирусной инфекции. Сигналы воспаления от зараженных эпителиальных клеток при участии резидентных клеток передаются эндотелию сосудов, клетки эндотелия привлекают эффекторные Т-клетки хемокинами CXCL9, CXCL10. Роллинг: при движении по посткапиллярной венуле в ткани эффекторная клетка замедляется, образуя временные контакты между Е-селектинами и P-селектинами на клетках эндотелия. Остановка: эффекторная клетка плотно прикрепляется к эндотелию при взаимодействии LFA-1 и других альфа-интегринов с ICAM-1/VCAM-1/MAdCAM-1 (на эндотелии). Трансмиграция: эффекторная Т-клетка связывает эндотелиальный JAM-1 молекулами PECAM, CD99, LFA-1 и проникает через клетки эндотелия в подслизистую. Рисунок из [3].
Процесс трансмиграции лейкоцита.
Клетки стромы, то есть основы лимфоузла, выделяют сигнальные вещества для того, чтобы позвать Т-клетку в лимфоузел — хемокины. Распознают хемокины лимфоузлов рецепторы хоуминга CCR7 и CD62L. Но на эффекторных клетках отсутствуют оба этих рецептора. Из-за этого долгое время было загадкой, как эффекторные клетки могут попасть из периферической ткани обратно во вторичные лимфоидные органы — селезенку и лимфоузлы.
В то же время стали накапливаться данные о различиях в репертуарах мембранных маркеров и профилях транскрипции между Т-клетками памяти в крови (TEM) и Т-клетками памяти в других органах, которые никак не укладывались в концепцию постоянной миграции Т-клеток между тканями и кровью. Решено было выделить новую субпопуляцию: резидентные клетки памяти, которые населяют определенный орган и не рециркулируют — TRM-клетки [4].
Рисунок 2. Схема перехода потомков активированных Т-лимфоцитов между популяциями. Рисунок из [14].
Как работают Т-клетки?
Когда вирус или другой захватчик попадает в систему человека, организм получает иммунологический ответ. У некоторых клеток есть рецепторы, которые могут идентифицировать атакующее вещество и могут активировать различные клетки в организме, чтобы найти и уничтожить вредных захватчиков.
Люди с сильной иммунной системой обычно имеют большое количество лейкоцитов и Т-клеток. Пациенты с аутоиммунными заболеваниями или страдающие от рака часто подвергаются подсчету клеток крови, которые могут сказать врачам, насколько хорошо эти и другие полезные клетки выживают и борются со своей болезнью.
Происхождение резидентных Т-клеток тканей
Откуда впервые появляются резидентные клетки ткани? Это потомки эффекторных клеток, которые потеряли способность рециркулировать. Некоторые периферические для иммунной системы ткани, например, слизистая тонкого кишечника, брюшная полость, — позволяют эффекторным Т-лимфоцитам проникать внутрь свободно; другие — очень ограниченно, большой поток эффекторных Т-клеток в эти ткани наблюдается только при реакции воспаления. К тканям второго типа относятся отделенные барьером от иммунной системы, к примеру, головной и спинной мозг, а также многие другие: периферические ганглии, слизистые половых органов, легкие, эпидермис, глаза. Разница между двумя типами тканей — в экспрессии дополнительных молекул хоуминга для эффекторных Т-клеток, например, молекулы адгезии для проникновения в эпителий MadCAM-1 [3].
Рисунок 3. «To home or not to home?» — сложный выбор эффекторной клетки. To home — процесс хоминга, или миграции Т-клеток, например, в наиболее привычное для наивных клеток место — лимфоузел. Альтернатива — не отправляться в путешествие по организму и превратиться в резидентную клетку ткани.
Что ещё назначают с этим исследованием?
Активированные лимфоциты (Т-лимфоциты, Т-хелперы, Т-цитотоксические клетки, иммунорегуляторный индекс, Т-активированные, NK- и B-активированные клетки)
17.54. Венозная кровь 3 дня
6 500 Р Добавить В корзину
Гуморальный иммунитет (иммуноглобулины IgA, IgM, IgG, IgE, циркулирующие иммунокомплексы, компоненты комплемента С3, С4)
17.51. Венозная кровь 8 дней
3 890 Р Добавить В корзину
Иммунный статус (скрининг) (Фагоцитарная активность лейкоцитов, клеточный иммунитет, иммуноглобулин IgE общий, иммуноглобулины IgA, IgM, IgG)
27.960. Венозная кровь 3 дня
7 640 Р Добавить В корзину
Иммунный статус расширенный
17.61. Венозная кровь 14 дней
22 310 Р Добавить В корзину
Клеточный иммунитет (Т-лимфоциты, Т-хелперы, Т-цитотоксические клетки, Иммунорегуляторный индекс, B-лимфоциты, NK-T-клетки, NK-клетки, Лейкоцитарная формула)
17.50. Венозная кровь 3 дня
5 200 Р Добавить В корзину
Резидентные Т-клетки в старении тканей человека
Карта соотношений присутствия отдельных субпопуляций Т-клеток в разных органах человека, как ни странно, была составлена только в 2014 году. Команда Донны Фарбер из медицинского центра Колумбийского Университета Нью-Йорка провела сравнение фенотипов Т-клеток, выделенных из крови и тканей доноров органов всех возрастных групп от 3 до 73 лет, всего по 56 донорам [5]. Анализ субпопуляций Т-клеток при помощи проточной цитофлуориметрии подтвердил многие данные, полученные методами с меньшим разрешением и меньшей статистикой, и некоторые черты описания иммунной системы, перенесенные с иммунологии мыши на человека, к примеру, снижение содержания наивных Т-лимфоцитов при старении во всех органах.
Уменьшение числа наивных Т-клеток с возрастом связано с быстрым старением тимуса (вилочковой железы), в котором будущие Т-клетки проходят этапы сборки Т-клеточного рецептора, проверку работоспособности рецептора и селекцию на отсутствие аутоиммунного потенциала. Важно не только снижение абсолютной численности наивных Т-клеток, но и уменьшение разнообразия репертуара Т-клеточных рецепторов, а значит, и возможности сформировать адаптивный иммунный ответ на ранее незнакомую инфекцию [6]. Для наивных Т-киллеров подтвердилось прогрессирующее падение численности в крови и лимфоузлах, хотя для наивных Т-хелперов отрицательная корреляция численности с возрастом в данном исследовании оказалась значительной только во вторичных лимфоидных органах, но не в крови.
Выделение Т-лимфоцитов памяти, эффекторных клеток памяти и короткоживущих эффекторных клеток из слизистых легких, тонкого и толстого кишечника, паховых и мезентериальных лимфоузлов доноров органов позволило впервые оценить динамику данных популяций в тканях человека при старении. Доля центральных клеток памяти ожидаемо растет с течением жизни, в соответствии с ростом числа инфекций, которые успели встретиться организму и попасть в библиотеку памяти иммунной системы. Растет и процент терминально дифференцированных эффекторных Т-киллеров (TEMRA), но только в лимфоузлах и в селезенке; в нелимфоидных тканях численность TEMRA падает. Эффекторные клетки памяти TEM стремительно заполняют нишу для Т-клеток в тканях ребенка, быстро, примерно к 12 годам вытесняя наивные Т-клетки. Короткоживущие терминально дифференцированные Т-киллеры чаще всего встречаются в крови, селезенке и слизистых легких в любом возрасте, а вот среди Т-хелперов эта субпопуляция представлена исчезающе малым числом клеток. Аналогично мало центральных клеток памяти среди Т-киллеров, преимущественно они находятся в слизистых двух барьерных тканей: легких и кишечника.
Широкими мазками карту распределения Т-лимфоцитов человека можно обрисовать так: наивные Т-клетки путешествуют по крови и периодически заходят во вторичные лимфоидные органы, киллеры-TEMRA находятся в крови, селезенке и легких. Для центральных клеток памяти, судя по всему, характерно более индивидуальное распределение по тканям, чем для других субпопуляций: во всяком случае, закономерностей динамики при старении разных тканей выявить не удалось. Эффекторные клетки памяти, включающие в себя и TRM субпопуляцию, доминируют среди Т-клеток слизистых барьерных тканей. В целом, при старении Т-клеточного иммунитета нелимфоидные ткани большую возрастную динамику типов Т-клеток [5]. Стабильность тканевых клеток проще объяснить, если разобраться, какие из эффекторных клеток TEM остаются в ткани, становятся резидентными TRM, и из каких событий состоит их жизнь после отказа от путешествий по организму.
Рисунок 4. Пути циркуляции Т-лимфоцитов различных субпопуляций. Tnaive — наивные Т-клетки, вместе с субпопуляцией TCM перемещаются по крови и заходят в Т-клеточную зону различных лимфоузлов, в капиллярах тканей встречаются, но в ткань не выходят (красная траектория). Эффекторные Т-клетки (голубой цвет) перемещаются по лимфе и кровотоку, при попадании в лимфоузел не заходят в Т-клеточные зоны (центр лимфоузла) — траектория лилового цвета. Резидентные Т-клетки тканей (показаны зеленым в коже и различными цветами в слизистых) перемещаются только внутри ткани — траектория зеленого цвета. Рисунок из [9], с изменениями.
Т-хелперы:
Задача хелперов на первый взгляд тоже довольно очевидна. Это клетки-помощники («help» значит «помогать»). А кому или чему они помогают? Они индуцируют, стимулируют иммунный ответ: под их влиянием усиливают свою работу цитотоксические лимфоциты. Также хелперы передают информацию о присутствии в теле чужеродного белка В-лимфоцитам, которые выделяют против них защитные антитела. Наконец, хелперы оказывают стимулирующее действие на работу фагоцитов, главным образом моноцитов.
Т-хелперы
Как отличить резидентные клетки тканей от примесей клеток крови?
Резидентные Т-клетки корректно, но неудобно каждый раз определять по способности индивидуальной клетки мигрировать в лимфоузлы, поэтому необходимо составить список характерных признаков, по которым можно определить принадлежность к этой субпопуляции. Резидентные Т-лимфоциты в тканях-естественных барьерах организма (например, в легких и слизистой тонкого кишечника) немного похожи на классические эффекторные клетки крови: экспрессируют маркер активированных клеток CD69, причем экспрессия стабильна в течении жизни при взрослении и старении и характерна для всех нелимфоидных тканей. Но вдобавок CD69 колокализуется с маркером CD103, который обозначает группу молекул адгезии — интегринов, способствующих прикреплению резидентной Т-клетки к эпителию и к фибробластам в подслизистой выбранного органа. Для эффекторных Т-клеток во вторичных лимфоидных органах экспрессия CD103-интегринов совершенно нехарактерна: TEM клетки постоянно сохраняют подвижный фенотип.
У карты, составленной коллективом Донны Фарбер, есть крупный недочет: неясно, насколько чисто удается выделить Т-лимфоциты из органа, какую долю анализируемых клеток на самом деле составляют Т-лимфоциты крови из капилляров внутри органа.
Особенно остро вопрос загрязнения клетками крови стоит для легких, не случайно субпопуляционный состав Т-клеток легких неожиданно похож на Т-клетки крови и лимфоузлов. Вопрос загрязнения клетками крови был изящно решен для Т-лимфоцитов мыши: подопытных мышей заражали вирусом лимфоцитарного хориоменингита после пересадки трансгенного клона Т-клеток P14, специфичного к данному вирусу. В результате при инфекции большая часть циркулирующих клеток была представлена вирус-специфичным клоном P14, и его присутствие в тканях можно было отследить иммунофлуоресценцией по P14-специфичному антителу. Перед тем, как мышей убивали, им в кровь вводили антитело к маркеру Т-киллерных клеток анти-CD8, оно быстро распространялось по кровотоку и связывалось со всеми Т-киллерами в крови (но не в тканях). При микроскопии срезов органов легко было отличить резидентные киллерные TRM от только недавно вышедших из крови в орган клеток, помеченных анти-CD8 антителом [7]. Численность резидентных клеток, подсчитанная этим методом, превышала в 70 раз определенные методом проточной цитометрии числа; разница меньше, чем в два раза, наблюдалась только для резидентных клеток лимфоузлов и селезенки: получается, стандартные методики выделения лимфоцитов из органов плохо подходят для анализа киллерных резидентных клеток и существенно занижают размеры популяции.
Каковы типы Т-клеток?
В организме есть несколько различных типов Т-клеток, каждый из которых имеет определенную функцию. Т-хелперные клетки способны быстро делиться и помогать иммунному ответу всего организма на атаку, создавая полезный белок под названием цитокин. Другой тип, часто называемый ячейкой памяти, помогает организму бороться с повторными инфекциями, не давая человеку подхватить одну и ту же болезнь более одного раза.
Один из наиболее полезных типов этих ячеек также имеет огромный недостаток. Цитотоксические клетки разрушают опухоли или видоизмененные клетки, подобно солдатам, отражающим захватчиков. К сожалению, при трансплантации этот тип клеток может неправильно идентифицировать пересаженный орган как угрозу и атаковать его. Цитотоксические клетки считаются одним из основных факторов отторжения трансплантата.
Работа резидентных Т-клеток: не стоит путать туризм с эмиграцией
Мышиные резидентные клетки тканей в нормальной ситуации почти не перемещаются внутри нелимфоидной ткани и достаточно прочно прикреплены молекулами адгезии к строме органа. Когда резидентные макрофаги той же ткани секрецией цитокинов инициируют реакцию воспаления, ТRM приобретают большую подвижность и патрулируют близлежащий эпителий в поисках зараженных клеток.
Если воспалительная реакция усиливается, то клетки понимают это как сигнал о подкреплении: к работе патрульных TRM подключаются вновь прибывающие из крови TCM и TEM -клетки. Эти клетки крови куда более подвижны и лучше перемещаются в эпителии: значит ли это, что именно в крови находятся готовые действовать Т-киллеры среди TEM , а CD8+ TRM выполняют в ткани хелперные и регуляторные функции?
C одной стороны, Т-хелперы по спектру Т-клеточных рецепторов более тканеспецифичны, то есть пересечений между репертуарами Т-клеточных рецепторов клеток, взятых из разных тканей, совсем мало, тогда как клетки одного клона Т-киллера встречаются в разных тканях среди TEM[5]. Спектр функций и репертуар антигенной специфичности TRM еще предстоит исследовать, но способности к уничтожению зараженных клеток тканей у TRM -киллеров точно есть. Более того, афинность вирус-специфичных Т-клеточных рецепторов (ТКР) резидентных киллерных клеток выше, чем у вирус-специфичных клеток центральной памяти в модели мышиной инфекции полиомавирусом, протекающей в ткани головного мозга [8].
Однако размер популяции Т-клеток зависит не только от специфичности Т-клеточных рецепторов к инфекциям, которые раньше протекали в данном органе, но и от гомеостатической пролиферации Т-клеток — размножения более удачливых клеток для заполнения емкости органа по числу Т-лимфоцитов. По маркерам CD28 и CD127 на поверхности клеток можно отличить недавно и давно активированные через Т-клеточный рецептор клетки от тех, которые получили только гомеостатический сигнал к пролиферации от фактора роста IL-7. При старении ткани гомеостатическое размножение клеток начинает преобладать над пролиферацией активированных через ТКР клеток.
Независимо от Т-клеточных рецепторов часто функционируют NKT-клетки, крупный тип резидентных клеток печени, встречающиеся и в других тканях. Они могут быть активированы NK-клеточными рецепторами через распознавание не индивидуальных антигенов, а общих молекулярных паттернов опасности и тканевого стресса. При активации CD8+ NKT-клетки выделяют цитотоксические гранулы и лизируют подозрительные клетки ткани, к примеру, единичные опухолевые клетки и зараженные вирусами клетки, экспрессирующие и выставляющие на внешней мембране MHC-подобные стрессорные молекулы. При старении тенденция TRM к активации без Т-клеточного рецептора через NK-клеточные рецепторы или цитокиновые сигналы может приводить к ошибочному лизису клеток ткани, недостаточному контролю над хронически зараженными или перерождающимися участками эпителия.
Патологические проявления, связанные с работой резидентных Т-клеток включают в себя органоспецифичные аутоиммунные синдромы и синдромы хронического воспаления в ткани. Примеры хронического воспаления, поддерживаемого резидентными Т-лимфоцитами — контактный дерматит и псориаз, а механизмом служит выделение воспалительных факторов IL-17 резидентными Т-киллерами и IL-22 резидентными Т-хелперами дермы. CD8+ эффекторные Т-киллеры, находящиеся в головном мозге, похожи по совокупности мембранных молекул-маркеров на TRM кожи, кишечника и легких и способны подталкивать развитие перемежающегося рассеянного склероза при периодических выбросах воспалительных цитокинов; неясно, однако, есть ли в норме в головном мозге TRM популяция или же это Т-лимфоциты, оставшиеся в ткани после нейротропной вирусной инфекции [9].
Функции резидентных клеток памяти в норме, при отсутствии инфекции или хронического воспаления, могут включать в себя cross-talk (взаимную регуляцию преимущественно через секрецию цитокинов и костимуляторные молекулы) с неклассическими малоизученными лимфоидными клетками, такими как ассоциированные со слизистыми гамма/дельта Т-клетки, несущие альтернативный вариант сборки Т-клеточного рецептора; или лимфоидные клетки врожденного иммунитета (innate lymphoid cells, ILC), которые делят с Т-и В-лимфоцитами общие черты эпигенетического ландштафта, но не имеют Т-/В- или NK-клеточных рецепторов [10, 11].
TRM клетки контактируют с антигенпрезентирующими клетками тканей — это дендритные клетки кожи и резидентные макрофаги тканей. Резидентные миелоидные клетки в разных тканях дифференцированы и слабо похожи друг на друга. К примеру, макрофаги маргинальной зоны селезенки, макрофаги печени и микроглия (макрофаги мозга) будут сильно отличаться и по морфологии, и по спектру функций. Кроме обнаружения антигенов в ткани, резидентные макрофаги заняты регуляцией процессов старения и самообновления тканей, в частности, выделяют факторы роста и цитокины, стимулирующие деление стволовых клеток тканей. В жировой ткани, к примеру, макрофаги стимулируют дифференцировку новых жировых клеток, но при переходе в активированное M1-состояние, запускают воспаление и вместо дифференцировки заставляют увеличиваться и набухать имеющиеся жировые клетки. Сопутствующие изменения метаболизма жировой ткани приводят к накоплению жировой массы и в последние годы связываются с механизмами развития ожирения и диабета II типа. В коже цитокины, выделяемые макрофагами и резидентными гамма/дельта Т-клетками стимулируют деление стволовых клеток при регенерации эпидермиса и стволовых клеток волосяных фолликулов [12, 13]. Можно предположить, что хелперные TRM клетки при патрулировании эпителия и образовании контактов с тканевыми макрофагами могут модулировать спектр и объем выделяемых последними факторов роста для стволовых клеток, воспалительных цитокинов и факторов ремоделирования эпителия, и тем самым участвовать в обновлении тканей.
Рисунок 5. Предполагаемые функции резидентных Т-лимфоцитов тканей. Часть функций может выполняться во взаимодействии с резидентными макрофагами (см. пояснения в тексте).
Т-клетки считаются чрезвычайно важными в борьбе с аутоиммунными заболеваниями
Т-клетки считаются чрезвычайно важными в борьбе с аутоиммунными заболеваниями, особенно в случаях вируса иммунодефицита человека (ВИЧ) и синдрома приобретенного иммунодефицита (СПИД). Многие из методов лечения этих вирусов, используемых в настоящее время, включают стимуляцию производства этих клеток и их реакцию для борьбы с вредными последствиями этих состояний. Встречающиеся в природе «убийственные» Т-клетки не способны эффективно бороться с ВИЧ, поэтому ученые разработали множество методов, чтобы улучшить клетки и сделать рецепторы клеток более чувствительными к этому смертельному вирусу.
Поскольку изучение клеточных функций все еще является относительно новым, до сих пор многие ученые не понимают, что такое Т-клетки и как они работают. По мере того, как исследователи продолжают изучать эти полезные клетки, многие полагают, что станет возможным уменьшить клеточный отторжение трансплантата и улучшить лечение аутоиммунных заболеваний.
Что изучение Trm может дать медицине?
Понимание принципов работы резидентных Т-клеток абсолютно необходимо для борьбы с инфекциями, которые не поступают сразу в кровь, а проникают в организм через барьерные ткани — то есть, для подавляющего большинства инфекций. Рациональный дизайн вакцин для защиты от этой группы инфекций может быть направлен именно на усиление первого этапа защиты с помощью резидентных клеток: ситуация, при которой оптимально активированные специфичные к антигену клетки элиминируют патоген в барьерной ткани куда выгоднее, чем запуск острого воспаления для вызова Т-лимфоцитов из крови, поскольку меньше повреждается ткань.
Репертуар Т-клеточных рецепторов клеток, ассоциированных со слизистыми барьерных тканей, считается частично вырожденным и публичным, то есть идентичным для многих людей в популяции. Тем не менее, искажения при выделении Т-клеток из органов, перекос данных в результате отбора только определенных европеиодных доноров в когорты и общее небольшое количество накопленных данных секвенирования не дают уверенности в публичности репертуаров Т-клеточных рецепторов TRM-клеток. Хотя это было бы удобно, дизайн вакцин мог бы сводиться к поиску и модификации наиболее аффинных и иммуногенных пептидов из патогена, взаимодействующих с одним из публичных вариантов ТКР в барьерной для этого патогена ткани.
Конечно, представления о том, какие Т-клеточные рецепторы несут на своей поверхности TRM-клетки недостаточно для того, чтобы эффективно манипулировать иммунными реакциями в ткани. Предстоит детально изучить факторы, влияющие на заселение тканей определенными клонами Т-клеток и разобраться в механизмах активации местного тканевого иммунитета и индукции толерантности TRM. Как заселяются ниши Т-лимфоцитов в слизистых у ребенка до встречи с большим числом патогенов и, соответственно, до формирования значительного пула эффекторных Т-клеток памяти — предшественников резидентных клеток и клеток центральной памяти? Почему и как вместо классической активации лимфоцитов формируется игнорирование, реакция толерантности к микробам непатогенной флоры слизистых? Эти вопросы стоят на повестке дня в изучении резидентных клеток иммунной системы.
Определение закономерностей хоуминга Т-лимфоцитов в определенные ткани может дать преимущество в клеточной иммунотерапии опухолевых заболеваний. Теоретически, киллерные Т-клетки нужной специфичности к опухолевому антигену, активированные in vitro, должны убивать опухолевые клетки пациента. На практике подобная иммунотерапия осложняется тем, что опухолевые клетки способны подавлять иммунные реакции и приводить в неактивное состояние анергии приближающиеся к опухоли Т-киллеры. Зачастую в массе растущей опухоли и вокруг неё накапливаются анергичные Т-лимфоциты, в первую очередь, TRM данной ткани. Из множества инъецированных пациенту активных опухолеспецифичных Т-клеток до цели дойдут немногие, и даже они могут оказаться практически бесполезными в иммуносупрессивном микроокружении опухоли.
Расшифровка механизмов, которые обеспечивают попадание конкретных клонов Т-клеток в определенные ткани, может позволить более эффективно направлять к опухоли сконструированные в лаборатории Т-лимфоциты и приблизить эру доступной персонализированной иммунотерапии.
Т-киллеры:
Т-киллеры – самая известная субпопуляция лимфоцитов. Они обладают способностью разрушать неполноценные клетки организма, вступая с ними в непосредственный контакт. Их еще называют цитотоксические лимфоциты: «цито» в переводе означает «клетка», значение слова «токсические» объяснять не надо.
Т-киллеры, строго осуществляющие иммунный надзор, агрессивно реагируют на чужеродный белок. Именно они вызывают реакцию отторжения трансплантата при пересадке органов. По этой причине при пересадке человеку любого органа ему некоторое время дают специальные медикаменты, которые угнетают иммунную систему: уменьшают повышенное содержание лимфоцитов и нарушают их взаимодействие. Иначе любая подобная операция заканчивалась бы отторжением нового органа или ткани, а может, даже гибелью пациента, которому такое вмешательство проводится.
Интересен механизм работы этих клеток. В отличие от фагоцитов, активно атакующих, пожирающих и переваривающих чужеродные частицы, Т-киллеры ведут себя на первый взгляд достаточно сдержанно. Своими отростками они прикасаются к объекту, а затем разрывают контакт и «уходят по своим делам». Клетка же, к которой прикоснулся лимфоцит, спустя какое-то время погибает… Отчего?
Дело в том, что во время своего «смертельного поцелуя» Т-киллеры оставляют на поверхности уничтожаемой ими клетки частицы своей мембраны. В местах контакта частицы «разъедают» поверхность объекта нападения. В результате в обреченной на гибель клетке фактически образуется сквозное отверстие. Она теряет ионы калия, внутрь нее входят ионы натрия и вода – так как клеточный барьер нарушается, ее внутренняя среда начинает напрямую сообщаться с внешней… В исходе клетка раздувается проникшей внутрь ее водой, из нее выходят белки цитоплазмы, органеллы разрушаются… Она погибает, а дальше к ней подходят фагоциты и пожирают ее остатки. Вот такое страшное наказание готовит организм всем клеткам, которые были распознаны иммунитетом как «неправильные» или чужеродные.
Литература
- Clark R.A. (2010). Skin resident T cells: the ups and downs of on site immunity. J. Invest. Dermatol. 130 (2), 362–370;
- Муж и жена — одна сатана?;
- Iijima N. and Iwasaki A. (2015). Tissue instruction for migration and retention of TRM cells. Trends Immunol. 36, 556–564;
- Schenkel J.M. and Masopust D. (2014). Tissue-resident memory T cells. Immunity. 41, 885–897;
- Thome J.J., Yudanin N., Ohmura Y., Kubota M., Grinshpun B., Sathaliyawala T. et al. (2014). Spatial map of human T cell compartmentalization and maintenance over decades of life. Cell. 159, 814–828;
- Откуда пошло зрение;
- Steinert E.M., Schenkel J.M., Fraser K.A., Beura L.K., Manlove L.S., Igyártó B.Z. et al. (2015). Quantifying memory CD8 T cells reveals regionalization of immunosurveillance. Cell. 161, 737–749;
- Frost E.L., Kersh A.E., Evavold B.D., Lukacher A.E. (2015). Cutting edge: resident memory CD8 T cells express high-affinity TCRs. J. Immunol. 195, 3520–3524;
- Park C.O. and Kupper T.S. (2015). The emerging role of resident memory T cells in protective immunity and inflammatory disease. Nat. Med. 21, 688–697;
- Schluns K.S. and Klonowski K. Diverse functions of mucosal resident memory T cells. E-book, 2015;
- Godfrey D.I., Uldrich A.P., McCluskey J., Rossjohn J., Moody D.B. (2015). The burgeoning family of unconventional T cells. Nat. Immunol. 16, 1114–1123;
- Castellana D., Paus R., Perez-Moreno M. (2014). Macrophages contribute to the cyclic activation of adult hair follicle stem cells. PLoS Biol. 12, e1002002;
- Rodero M.P. and Khosrotehrani K. (2010). Skin wound healing modulation by macrophages. Int. J. Clin. Exp. Pathol. 3 (7), 643–653;
- Farber D., Yudanin N., Restifo N.P. (2014). Human memory T cells: generation, compartmentalization and homeostasis. Nat. Rev. Immunol. 14, 24–35..
В каких процессах участвуют Т-клетки?
Т-клетка — это тип лимфоцитов или лейкоцитов, который участвует в функции иммунной системы. Т-клетки могут связываться с различными клетками организма, убивая инфицированные клетки и атакуя антигены, которые могут вызвать заболевание. Снижение уровня Т-клеток может указывать на то, что кто-то страдает от заболевания, которое вызывает иммунную супрессию, или что кто-то принимает лекарства, которые подавляют функции иммунной системы, как это делается для подготовки к пересадке органов.
Раскрыта тайна Т-клеточного иммунитета к коронавирусу
Т-клеточный иммунитет изучают сейчас во всем мире. Это, пожалуй, главная надежда человечества на освобождение от ковидного «плена».
Для того, чтобы познакомиться с ним поближе, — небольшое введение из общей иммунологии.
Что такое «Т-клетки»?
Пожалуй, даже малые дети знают сегодня про антитела к коронавирусу. Если их нет — значит, вы еще не переболели, и у вас нет защиты от коварного вируса.
И это… неправильный ответ. Дело в том, что антитела — субстанция временная, спустя год после перенесенного заболевания количество их снижается в разы, а потом они и вовсе могут исчезнуть. Но есть другая ветвь специфического иммунитета: клеточный иммунитет, — более основательный, глубинный, который остается после болезни (или вакцинации) надолго. Есть научные проверенные данные, что к некоторым заболеваниям, к примеру, полиомиелиту, желтой лихорадке и ряду других инфекций этот базовый, Т-клеточный иммунитет может держаться десятки лет, а то и всю жизнь. Что касается нового коронавируса SARS-CoV-2, как ведет себя с ним наш Т-клеточный иммунитет, до конца пока неизвестно, но у ученых есть большие надежды именно на этот сегмент иммунной системы.
Исходя их общих правил иммунологии, если у человека есть (или были) антитела к коронавирусу, они не могли возникнуть без Т-лимфоцитов. Дело в том, что в самом начале болезни, примерно за неделю до появления первых симптомов, попавший в организм вирус «встречают» именно Т-клетки. Сообща, они «оценивают» его и, если «понимают», что проникших в организм чужеродных частиц много, и они не похожи на собственные белки организма, «решают», подлежат ли неизвестные интервенты уничтожению. Если решение принято, черную работу Т-клетки поручают В-клеткам (передают сигнал). В-клетки и начинают продуцировать антитела к новому вирусу. Сначала они синтезируют их внутри себя, а затем выставляют на поверхность В-клеточные рецепторы, которые, подобно антеннам, пеленгуют вирусные частицы, и, если находят их, то отрываются от материнской клетки и вступают в бой с врагом самостоятельно. Эти рецепторы и есть те самые антитела, или известные нам иммуноглобулины G (IgG). В идеале их должно быть много (высокий титр антител) и они должны быть максимально специфичными (способными эффективно связывать конкретный вирус). Такие антитела облепляют вирус со всех сторон, образуя некий конгломерат, который привлекает внимание всех участников иммунной системы, в частности, на подмогу приходят нейтрофилы и макрофаги.
Интересный факт, о котором я никогда не слышала, отметил старший научный сотрудник Центра высокоточного редактирования и генетических технологий для биомедицины РНИМУ им.Пирогова, профессор Юрий Лебедев. Оказывается, антитела не просто убивают вирус, но еще и съедают его, превращая в питательные вещества для организма. Да, да, — коронавирусом можно еще и питаться, правда, не через пищеварительный тракт, а через кровь.
Справившись с вирусом, антитела и сами постепенно исчезают (разбавляются). Сокращается и «руководство штаба» в виде Т-клеток, но не полностью.
– Часть Т-клеток сохраняется, превращаясь в Т-клетки памяти, которые продолжают присутствовать в кровотоке, в лимфе и на границах слизистых оболочек, они всегда — в движении, — поясняет Юрий Лебедев. – И если вдруг организм снова встречается с тем же вирусом, лимфоциты очень быстро опознают своего старого врага и незамедлительно запускают систему реагирования. Теперь ковид-специфичным Т-клеткам уже не требуется время на «обдумывание» стратегии, на которую первоначально затрачивалось 5-6 дней. Решение атаковать «принимается» в течение суток! По тревоге поднимаются и В-клетки, и в кровь уже в день инфицирования начинают поступать антитела.
“Нет людей без антител IgG к коронавирусу”
Специалисты определяют титр антител двумя основными способами: по массе и по так называемому КП — коэффициенту правдоподобия. Количество измеряют по числу микрограммов иммуноглобулинов антител в одном миллилитре крови. Для обнадеживающего результата их должно быть не менее 200. Что касается КП — он показывает уровень превышения над условным фоном таких же иммуноглобулинов в крови. Защитным считается превышение коронавирусных IgG над условным фоном в 10 и более раз.
– Но что такое — «фон»? Откуда он берется? — задаю я вопрос Лебедеву.
– Как бы вы не определяли, нет людей, у которых совсем не будет антител IgG.
– Даже к новому коронавирусу?
– Даже к коронавирусам, — их следует упоминать во множественном числе. Коронавирусов на Земле до SARS-CoV-2 было много – в том числе и очень похожих на нынешний. Когда определяют антитела именно к новому коронавирусу, стараются найти и измерить количество всех антител, которые способны хоть как-то его опознавать. В итоге тест-системы определяют много разнообразных антител к коронавирусам, и не обязательно обладающих конкретным S-белком (который появился именно у «короны» для того, чтобы усилить патогенность для человека).
Как старые коронавирусы спасают москвичей
Теперь очень обнадеживающая информация от проректора по научной работе РНИМУ им. Пирогова Дениса Ребрикова, основанная как раз на факте присутствия в нашем организме отголосков «старых» коронавирусов. Проведенное в стенах университета крупномасштабное тестирование москвичей на Т-клеточный иммунитет показало, что около половины из нас обладают так называемым предсуществующим иммунитетом к SARS-CoV-2 (даже не переболев им)!
– Коронавирус не один, — только по нашему региону известно как минимум четыре постоянно присутствующих вида, — говорит Денис Владимирович. – Мы постоянно болеем коронавирусами в Москве. И наше исследование москвичей на наличие Т-клеточного иммунитета к SARS-CoV-2 выявило, что он имеется примерно у половины жителей мегаполиса. Причем речь не идет о SARS-CoV-2-специфичных Т-клетках. Оказалось, что новый коронавирус узнают лимфоциты, «надрессированные» на прежние виды коронавирусов. Некоторые белки «старых» коронавирусов, которые мы чаще всего переносим как ОРВИ, кишечный грипп и пр., настолько схожи с белками нового, что размножившиеся на них Т-клетки способны защищать нас и от SARS-CoV-2.
– Можно ли считать, что Т-клетками старых коронавирусов мы на сто процентов защищены от нового вируса?
– Сила предсуществующего Т-клеточного иммунитета у всех разная, и говорить о 100-процентной защите некорректно. Но можно утверждать, что значительное число москвичей до сих пор не заболело COVID-19 в том числе и по причине наличия хорошего Т-клеточного ответа на «старые» (обычные) коронавирусы.
– А если человек переболел «старым» коронавирусом, вакцинироваться от нового все равно надо?
– На всякий случай, конечно, лучше вакцинироваться. Тем более что тест на Т-клеточный иммунитет пока не стал рутинным и определить его быстро не получится. Всегда лучше иметь полный комплект противовирусного «вооружения», а вакцинация – очень мощный элемент защиты.
– На другие области и страны эта информация может распространяться?
– К сожалению, московские данные нельзя напрямую экстраполировать на всю Россию. Москва, как наверное, и другие крупные мегаполисы, уникальна своим разнообразием вирусов и плотностью населения, это настоящий бурлящий вирусный котел, где люди друг друга все время перезаражают с высокой скоростью из-за большой плотности населения. В небольших городах, в сельской местности – совсем другой эпидемиологический профиль, и там доля людей с предсуществующей защитой может быть значительно ниже. Зато в результате такого «вирусного котла» именно у жителей мегаполиса появился такой своеобразный бонус в виде Т-клеточного иммунитета к новому коронавирусу.
– Сколько человек прошло через ваше тестирование и каким способом вы выявляли Т-клетки к коронавирусу SARS-CoV-2 и старым коронавирусам?
– В Москве программу по оценке Т-клеточного иммунитета возглавляет профессор РАН, доктор биологических наук, директор НИИ трансляционной медицины РНИМУ им. Пирогова Дмитрий Чудаков. За последние полгода его лаборатории удалось проверить несколько тысяч пациентов методами высокопроизводительного секвенирования.
Его коллега из НМИЦ гематологии Минздрава России Григорий Ефимов параллельно сделал инструмент прямой оценки Т-клеточного иммунитета: так называемый МНС-тетрамер по выявлению ковид-специфичных Т-клеток. Под микроскопом он выглядит как шарик из искусственных иммуноглобулинов-МНС с кусочком вирусного белка. Внутри такого шарика присутствует либо флуоресцентная метка, либо крошечный наномагнит. Теперь представьте себе множество таких наноразмерных «шариков», собранных в единую суспензию. Если добавить такую суспензию к пробе, 1-2-м миллилитрам венозной крови, то сотни и тысячи Т-клеток, уже встречавших вирус, облепят шарики и могут быть «вытащены» из крови за флуоресцентную или магнитную метку.
Т-клеточный репертуар
Уже упомянутый российский профессор Дмитрий Чудаков является автором определения профиля Т-клеточного иммунитета. Он — единственный в мире, кто эффективно определяет специфичность Т-клеток по последовательностям их ДНК и РНК. Это уже не столько метод определения наличия или отсутствия Т-клеточного иммунитета к какому-то конкретному вирусу, а качественная реконструкция всего репертуара Т-клеток в организме.
– Наша цель — научиться определять по Т-клеткам, с какими возбудителями человек встречался в течение всей своей жизни, — поясняет коллега Чудакова Юрий Лебедев. – То есть, определить весь Т-клеточный репертуар организма. Представляете, как будет здорово, если по Т-клеткам мы сможем определять не только весь иммунный статус человека, но и его иммунную память, выявлять людей, с заведомой защитой к серьезным инфекциям (или без таковой)! Надеемся, что на все эти вопросы мы сможем ответить в ближайшее время.
– Слышала, что недавно вы запустили работу по длительному отслеживанию Т-клеточного иммунитета у двух москвичей, переболевших коронавирусом в 2021 году. Вы намерены контролировать его живучесть в течение всех последующих лет?
– Конечно. В этом и суть длительного контроля. Зато потом мы будем знать, сколько Т-клеток к нынешнему заболеванию останется у них через год, через 5 лет и т. д.
– Сколько сейчас прошло времени после их выздоровления? Сохранились ли у них антитела к коронавирусу?
– Оба переболели в легкой форме в начале марта 2021 года. Через полгода после полного выздоровления количество анти-ковидных антител упало в 2 раза, и оно продолжает медленно снижаться. Но специфичные к коронавирусу Т-клетки памяти (такие хорошо обученные стражи для вторичной инфекции) заняли своё прочное место в репертуаре. Сейчас, спустя почти год после первой встречи с вирусом, каждая тысячная из многих миллионов Т-клеток у обоих этих москвичей стоит на страже их здоровья…
Ученые уверены: если комбинировать два технологически разных подхода по изучению Т-клеток, можно каждому человеку дать очень хорошую характеристику по его устойчивости к новому коронавирусу SARS-CoV-2.
Сейчас среди специалистов идет дискуссия по поводу того, сколько будет работать вакцинация: год-два. Но на уровне Т-клеток она может стать пожизненной. Если это будет доказано, то необходимость в повторной вакцинации отпадет полностью, если, конечно, вирус не будет слишком быстро мутировать.
Что происходит, когда Т-клетки созревают?
Другое важное событие происходит в тимусе, когда Т-клетки созревают. Тимус проходит процесс, известный как «отрицательный отбор», в котором Т-клеткам, которые могут вызывать аутоиммунные реакции, дают возможность отмирать. Это разработано, чтобы препятствовать тому, чтобы иммунная система напала на тело случайно. Иногда этот процесс нарушается, вызывая аутоиммунные заболевания, которые могут вызвать серьезные медицинские проблемы.
Т-клетка может делать все что угодно, в зависимости от ее типа. Некоторые связываются с клетками и убивают их, если клетки стали инфицированными, тогда как другие хранят память о специфических антигенах, чтобы организм мог быстро реагировать, если эти антигены идентифицированы. Т-клетки-помощники выявляют ситуации, в которых требуется ответ иммунной системы, и запускают передачу различных сигналов остальной части тела. Регуляторные Т-клетки вымываются после инфекции, стараясь удалить клетки, у которых развился аутоиммунный ответ.
Дифференциация в тимусе
Стадии дифференциации Т-лимфоцитов
Все Т-клетки берут своё начало от гемопоэтических стволовых клеток красного костного мозга, которые мигрируют в тимус и дифференциируются в незрелые тимоциты
. Тимус создаёт микросреду, необходимую для развития полностью функционального репертуара Т-клеток, который является ГКГ-ограниченным и толерантным к самому себе.
Дифференциация тимоцитов разделяется на разные стадии в зависимости от экспрессии различных поверхностных маркеров (антигенов). На самой ранней стадии тимоциты не экспрессируют корецепторы CD4 и CD8 и поэтому классифицируются как двойные негативные (англ. Double Negative (DN)) (CD4-CD8-). На следующей стадии тимоциты экспрессируют оба корецептора и называются двойными позитивными (англ. Double Positive (DP)) (СD4+CD8+). Наконец на финальной стадии происходит селекция клеток, которые экспрессируют только один из корецепторов (англ. Single Positive (SP)): или (CD4+), или (CD8+).
Раннюю стадию можно разделить на несколько подстадий. Так, на подстадии DN1 (англ. Double Negative 1) тимоциты имеют следующую комбинацию маркеров: CD44+CD25-CD117+. Клетки с данной комбинацией маркеров ещё называют ранними лимфоидными предшественниками (англ. Early Lymphoid Progenitors (ELP)). Прогрессируя в своей дифференциации, ELP активно делятся и окончательно теряют способность трансформироваться в другие типы клеток (например В-лимфоциты или миелоидные клетки). Переходя на подстадию DN2 (англ. Double Negative 2), тимоциты экспрессируют CD44+CD25+CD117+ и становятся ранними Т-клеточными предшественниками (англ. Early T-cell Progenitors (ETP)). В течение DN3 подстадии (англ. Double Negative 3) ETP клетки имеют комбинацию CD44-CD25+ и вступают в процесс β-селекции.
β-селекция
Гены Т-клеточного рецептора состоят из повторяющихся сегментов, принадлежащих к трём классам: V (англ. variable), D (англ. diversity) и J (англ. joining). В процессе соматической рекомбинации генные сегменты, по одному из каждого класса, соединяются вместе (V(D)J-рекомбинация). Случайное объединение последовательностей сегментов V(D)J приводит к появлению уникальных последовательностей вариабельных доменов каждой из цепей рецептора. Случайный характер образования последовательностей вариабельных доменов позволяет генерировать Т-клетки, способные распознавать большое количество различных антигенов, и, как следствие, обеспечивать более эффективную защиту против быстро эволюционирующих патогенов. Однако этот же механизм зачастую приводит к образованию нефункциональных субъединиц Т-клеточного рецептора. Гены, кодирующие β-субъединицу рецептора, первыми подвергаются рекомбинации в DN3-клетках. Чтобы исключить возможность образования нефункционального пептида, β-субъединица образует комплекс с инвариабельной α-субъединицей пре-T-клеточного рецептора, формируя т. н. пре-T-клеточный рецептор (пре-ТКР). Клетки, неспособные образовывать функциональный пре-ТКР, погибают в результате апоптоза. Тимоциты, успешно прошедшие β-селекцию, переходят на подстадию DN4 (CD44-CD25-) и подвергаются процессу позитивной селекции
.
Позитивная селекция
Клетки, экспрессирующие на своей поверхности пре-ТКР все ещё не являются иммунокомпетентными, так как не способны связываться с молекулами главного комплекса гистосовместимости. Для узнавания молекул ГКГ T-клеточным рецептором необходимо наличие корецепторов CD4 и CD8 на поверхности тимоцитов. Образование комплекса между пре-ТКР и корецептором CD3 приводит к ингибированию перестроек генов β-субъединицы и в то же время вызывает активацию экспрессии генов CD4 и CD8. Таким образом тимоциты становятся двойными позитивными (DP) (CD4+CD8+). DP-тимоциты активно мигрируют в корковое вещество тимуса, где происходит их взаимодействие с клетками кортикального эпителия, экспрессирующими белки обоих классов ГКГ (MHC-I и MHC-II). Клетки, неспособные взаимодействовать с белками ГКГ кортикального эпителия, подвергаются апоптозу, в то время как клетки, успешно осуществившие такое взаимодействие, начинают активно делиться.
Негативная селекция
Тимоциты, прошедшие позитивную селекцию, начинают мигрировать к кортико-медуллярной границе тимуса. Попадая в медуллу, тимоциты взаимодействуют с собственными антигенами организма, презентированными в комплексе с белками ГКГ на медуллярных тимических эпителиальных клетках (мТЭК). Тимоциты, активно взаимодействующие с собственными антигенами, подвергаются апоптозу. Негативная селекция предотвращает появление самоактивирующихся Т-клеток, способных вызывать аутоиммунные заболевания, являясь важным элементом иммунологической толерантности организма.
