Марат Зиявдинович Саидов
Клеточные и молекулярные механизмы патогенеза иммуновоспалительных ревматических заболеваний
Серонегативные спондилоартропатии (СПА) – это хронические воспалительные заболевания, поражающие позвоночник, периферические суставы, связки и сухожилия. Ауто-АТ в синовиальной жидкости к декорину при серонегативных спондилоартропатиях (СПА) были значительно выше по сравнению с пациентами с остеоартритами (ОА), что позволяет предположить, что матриксные белки вовлечены в хронический воспалительный процесс в суставах. При ОА уровень декорина в сыворотке крови повышен и может быть фактором риска развития ОА [66].
Идиопатические воспалительные миопатии (IIM) представляют собой гетерогенную группу аутоиммунных заболеваний, характеризующихся мышечной слабостью, инфильтрацией воспалительных клеток и сверхэкспрессией молекул MHC1 в мышечных волокнах. При полимиозите (ПМ) эндомизий в основном инфильтрируется CD8+Т-клетками, в то время как при дерматомиозите (ДМ) эпимизий в основном инфильтрируется CD4+Т-клетками. Декорин может связывать миостатин и ингибировать его стимулирующее влияние на пролиферацию и дифференцировку миогенных клеток. Декорин также может присоединяться к TGF-β2 и стимулировать увеличение мышечной массы. Более того, инъекции декорина в поврежденную мышцу могут вызвать регенерацию мышц [27].
На рис. 31 представлена схема, отражающая принципиальные свойства декорина как провоспалительного DAMP.
Рис. 31. Свойства декорина как провоспалительного DAMP
Примечание. Структура белка декорина имеет решающее значение для определения его про- и противовоспалительной сигнальной реакции. Протеогликановая форма декорина, включающая белковое ядро и ГАГ-цепь, способствует врожденному иммунитету и воспалению с помощью двух механизмов. С одной стороны, декорин, связываясь с TLR2/TLR4, активирует передачу сигналов NF-κB и индуцирует экспрессию провоспалительных цитокинов TNF-α, IL-12 и PDCD4, а также противовоспалительного цитокина IL-10. С другой стороны, связываясь с TGF-β1, декорин блокирует связывание TGF-β1 и последующую активацию рецептора TGF-β (TGFβR), таким образом ингибируя созревание микро-РНК-21, посттранскрипционного ингибитора PDCD4. Повышенное содержание PDCD4 снижает уровень IL-10. Это приводит к воспалению, которое при хронических состояниях может привести к воспалительным и аутоиммунным заболеваниям. Напротив, белковое ядро декорина способствует противовоспалительному эффекту, подавляя экспрессию генов хемотаксиса лейкоцитов и генов воспаления, хотя точные рецепторы, участвующие в передаче сигналов, до сих пор неизвестны. Тем не менее, их противовоспалительный эффект играет важную роль в смягчении воспаления при воспалительных и аутоиммунных заболеваниях.
Сокращения: ГАГ – гликозаминогликан; IL – интерлейкин; NF-κB – транскрипционный ядерный фактор, активирующий В-клетоки; TLR – Toll-подобный рецептор; TNF – фактор некроза опухоли; PDCD4 – белок программируемой гибели клеток 4; TGFβ1 – трансформирующий фактор роста β1, по материалам [92].
Таким образом, декорин – это универсальный белок, который взаимодействует с различными рецепторами, ферментами и цитокинами. Декорин участвует в аутофагии, клеточном цикле, воспалении, ангиогенезе и других биологических процессах. Роль декорина в аутоиммунных и воспалительных заболеваниях основана на нескольких существенных аспектах. Во-первых, декорин, как один из DAMPs, может участвовать в активации врожденных иммунных клеток посредством взаимодействия с TLRs или рецепторами ARGE. Во-вторых, иммунная система может вырабатывать ауто-АТ против декорина, которые могут нарушать нормальную функцию растворимого декорина. В-третьих, считается, что декорин опосредует аутофагию в эндотелиальных и в эпителиальных клетках. Наконец, декорин может подавлять эффекты TGF-β1, особенно при фиброзе. Эти результаты свидетельствуют о том, что декорин играет определенную роль в развитии и прогрессировании аутоиммунных и воспалительных заболеваний.
3.4. Люмикан
Люмикан представляет собой протеогликан с массой 40 кДа, который относится к подсемейству SLRPs класса II и первоначально был описан как один из основных протеогликанов кератансульфата в роговице взрослого человека. Помимо роговицы, высокий уровень люмикана был обнаружен в различных типах тканей, включая артерии, аорту, дерму, легкие, почки и межпозвоночные диски. Однако в этих органах, люмикан присутствует в виде гликопротеина в отличие от роговицы, где он присутствует в виде протеогликана кератансульфата. Люмикан регулирует сборку коллагена в роговице и играет решающую роль в миграции и пролиферации клеток во время эмбрионального развития и восстановления тканей. Помимо его физиологической роли в качестве структурного компонента ECM, люмикан также участвует в регуляции клеточных функций, таких как рост, апоптоз, миграция, инвазия и ангиогенез [15,21].
Механизмы люмикан-зависимой регуляции воспаления
Помимо своих физиологических функций люмикан также участвует в регуляции активности врожденного иммунитета. Также как и бигликан и декорин, люмикан действует как DAMP, но при одном условии, а именно – люмикан способствует передаче сигналов, зависящих от патогена. Показано, что основной белок люмикана образует комплекс с бактериальным компонентом LPS и связывается с CD14 на поверхности макрофагов и нейтрофилов, тем самым представляя комплекс LPS-CD14 для TLR4 TLR4, активируемый комплексом LPS-CD14, запускает синтез воспалительных цитокинов через молекулы-адаптеры, TIRAP и MyD88, а также NF-κB. Интернализованный TLR4–CD14–бактериальный и люмикан-связанный комплексы через молекулы-адаптеры TRIF и связанную с TRIF молекулу-адаптер TRAM, запускает сигналы, активирующие фактор транскрипции, регулирующий синтез интерферонов тем самым стимулируя выработку интерферонов I типа. Параллельно комплекс TRAM-TRIF способствует секреции провоспалительных цитокинов [83,86].
Помимо своего влияния на опосредованное TLR4 распознавание патогенов и DAMPs, люмикан модулирует воспалительный ответ, регулируя передачу сигналов Fas-лиганда (FasL)-Fas. Связывание FasL с поверхностью моноцитов и макрофагов индуцирует продукцию провоспалительных цитокинов [62].
Другой механизм опосредованной люмиканом регуляции воспалительной реакции связан с его взаимодействием с MAC-1 (aM/β2) и LFA-1 (aL/β2)125 – двумя основными интегринами клеточной поверхности полиморфноядерных (PMN) лейкоцитов. Связываясь с обоими интегринами, люмикан способствует миграции PMN. PMN являются важнейшими регуляторами воспалительных и аутоиммунных заболеваний. Транспортировка PMN к очагам воспаления является начальной фазой воспалительных заболеваний. Направленная миграция PMNs через ECM представляет собой сложный многоступенчатый процесс, который включает в себя несколько взаимодействий α- и β-интегринов с белками ECM (см. главу 4). Имеются убедительные доказательства того, что люмикан взаимодействует с субъединицами β2, aM и aL интегрина. Также люмикан может быть вовлечен в экстравазацию PMN [67].
Недавние сообщения свидетельствуют о прямом взаимодействии между люмиканом и металлопротеиназами, в частности, с MMP14. Люмикан связывается с каталитическим доменом MMP14 с аффинностью KD ~275 нМ и конкурентно ингибирует активность MMP14. Кроме того, люмикан подавляет экспрессию MMP14 в эндотелиальных и мезенхимальных стволовых клетках [65].
Было показано, что дефицит MMP14 усиливает воспаление легких и увеличивает смертность при эндотоксемии новорожденных. Это связано с нарушением активации MMP2 и усиленным накоплением DAMPs в легких. Поэтому, вполне возможно, что люмикан-зависимое ингибирование активности MMP14 уменьшает разрешение воспаления [4].
Роль люмикана в разрешении стерильного воспаления
Помимо своих провоспалительных эффектов, люмикан может также играть потенциальную роль в модуляции клеточной миграции и адгезии во время воспаления и репарации тканей посредством связывания с интегрином α2β1 и рецептором TGF-β (TGFβR). Имеются данные о том, что люмикан на основании ингибирования сигнальных путей ERK1/2 и Akt снижает подвижность клеток и индуцирует апоптоз клеток в составе КВИ. Можно предположить, что эти качества люмикана определяют его противовоспалительную роль при ИВРЗ [48,91].
Кроме того, люмикан регулирует адгезию клеток остеосаркомы путем модуляции сигнального пути TGF-β2/Smad2. Хотя точные механизмы ингибирования люмиканом передачи сигналов TGF-β2 все еще неясны, известно, что люмикан напрямую связывается с TGFβR1 (ALK5) и способствует ткани при его повреждении [89].
Что же касается роли люмикана в патогенезе стерильного воспаления, то данных по этому вопросу совсем немного. Сообщалось, в частности, что люмикан сверхэкспрессируется при язвенном колите, вызванном тринитробензолсульфоновой кислотой (TNBS) у мышей, и регулирует раннюю стадию воспаления в толстой кишке. В этой модели у мышей дикого типа выявлена повышенная активация NF-κB, которая была связана с повышенными уровнями CXCL1, TNF-α и более высоким количеством инфильтрирующих нейтрофилов в толстой кишке. Иными словами, люмикану принадлежит ключевая роль в поддержании гомеостаза кишечника путем регулирования воспалительной реакции и защиты тканей от повреждения при язвенном колите [47].
Кроме того, люмикан регулирует прогрессирование рассеянного склероза. У мышей с дефицитом люмикана наблюдалось более раннее начало и повышенная тяжесть заболевания при экспериментальном аутоиммунном энцефаломиелите (EAE). Люмикан способствует апоптозу Th17 клеток через сигнальный путь Fas-FasL и ингибирует экспрессию провоспалительного IL-17 – цитокина Th17 клеток. Таким образом, люмикан действует как эндогенный ингибитор Th17 клеток, регулируя воспаление, опосредованное Th17 клетками, в сторону его снижения [14].
На основании вышеизложенных данных, можно заключить, что SLRP специфичным для этих молекул образом жестко регулируют воспаление. В то время как люмикан может уменьшать количество Th17 клеток за счет их апоптоза, бигликан через TLR2/TLR4 способствует рекрутированию Th17 клеток в очаг стерильного воспаления.
На рис. 32 представлены основные свойства люмикана, выступающего в качестве провоспалительного DAMP при стерильном воспалении, являющемся патогенетической основой ИВРЗ.
Рис. 32. Молекулярные основы патогенности люмикана при стерильном воспалении
Примечание. Люмикан модулирует врожденный иммунитет и воспаление несколькими путями и влияет на исход воспалительных и аутоиммунных заболеваний. При патоген-опосредованном воспалении и в последующем DAMP-опосредованном воспалении люмикан образует комплекс с LPS и посредством взаимодействия с CD14 представляет его TLR4, тем самым запуская опосредованную TIRAP/MyD88 передачу сигналов, которая вызывает активацию NF-κB и повышенную экспрессию воспалительных цитокинов. Люмикан также взаимодействует с бактериями TLR4/CD14-зависимым образом. Следовательно, TLR4–CD14–бактериаотный и люмикан-связанный комплексы активирует фагоцитоз и интернализуется в эндосомы. Эндосомальный TLR4 взаимодействует с адаптерными молекулами TRAM и TRIF, активируя IRF3, что приводит к выработке интерферонов I типа. Эндосомальный адаптерный комплекс TRAM-TRIF, независимый от IRF3, также приводит к выработке воспалительных цитокинов. Воспалительные цитокины также продуцируются путем связывания люмикана с комплексом Fas-FasL, который увеличивает инфильтрацию нейтрофилами и макрофагами. Аналогичным образом, связываясь с субъединицами интегрина β2, aM и aL, люмикан способствует миграции клеток PMN, что может индуцировать врожденный иммунитет и аутоиммунные заболевания. Люмикан, посредством взаимодействия с MMP14, блокирует активацию MMP2 и подавляет рассасывание воспаления при воспалительных заболеваниях. Напротив, взаимодействие люмикана с α2β1 интегрином модифицирует передачу сигналов FAK, которая ингибирует биоактивность MMP и последующую передачу сигналов Akt и ERK1/2. Поскольку Akt и ERK1/2 вовлечены в экспрессию циклина, опосредованное люмиканом ингибирование этих путей приводит к уменьшению миграции клеток и усилению апоптоза и, таким образом, к уменьшению воспаления, которое может оказывать защитное действие при воспалительных и аутоиммунных заболеваниях.
Сокращения: CD – кластер дифференцировки; ERK – киназа, регулируемая внеклеточным сигналом; FAK – киназа фокальной адгезии; FasL – лиганд Fas; IRF3 – фактор регуляции интерферона 3; LPS – липополисахарид; MMP – матриксная металлопротеиназа; MyD88 – первичный ответ миелоидной дифференцировки 88; TIRAP – адаптерная молекула, связанная с Toll-подобными рецепторами; TLR – Toll-подобный рецептор; TRIF – сигнальная молекула, содержащая TIR-домен; TRAM – связанная с TRIF адапторная молекула; PMN – полиморфноядерные лейкоциты, по материалам [92].
3.5. Фибромодулин
Роль фибромодулина в тканевом гомеостазе
Фибромодулин относится к SLRP класса II и характеризуется наличием белкового ядра 42 кДа, ковалентно присоединенного к одной или нескольким цепям кератансульфата, Фибромодулин, первоначально описанный как протеогликан хряща, повсеместно присутствует в ECM соединительных тканей, где он играет центральную роль в организации коллагеновых фибрилл. Путем взаимодействия с лизил-оксидазой, ферментом, сшивающим коллаген, фибромодулин регулирует состав ECM, чтобы обеспечить среду, благоприятную для миграции клеток. Подобно бигликану и декорину, фибромодулин регулирует передачу сигналов TGF-β1, изолируя активную форму этого фактора роста в ECM. Кроме того, фибромодулин оказывает различные тканеспецифические эффекты. Он играет решающую роль в развитии мышц, контролируя миогенные факторы роста и миостатин. Он также способствует развитию сосудистой сети и регенерации при заживлении кожных ран [36,61].
Про- и противовоспалительные свойства фибромодулина
Фибромодулин играет ключевую роль при воспалительных заболеваниях суставов и влияет на воспалительную реакцию при заживлении ран, атеросклерозе и сердечной недостаточности. Исследования, посвященные изучению РА и остеоартрита, убедительно свидетельствуют о том, что фибромодулин активирует классические и альтернативные пути активации комплемента посредством прямого связывания с компонентами комплемента C1q и C3b [76].
Известно, что фибромодулин взаимодействует с глобулярными детерминантами C1q, запуская классический путь активации комплемента, что впоследствии приводит к отложению C3b и активации уже альтернативного пути комплемента, индуцируя тем самым комплемент-зависимое стерильное воспаление [77].
Активированная система комплемента может дополнительно способствовать адаптивным клеточным иммунным реакциям посредством перекрестных взаимодействий с TLRs, регуляции активности АГ-презентирующих клеток и активации адаптивных иммунных клеток, включая PMN, В- и Т-лимфоциты и тромбоциты. Таким образом, фибромодулин, связываясь с компонентами комплемента C1q и C3b, запускает множество иммунных реакций [31,37].
Кроме этого, фибромодулин также взаимодействует с фактором комплемента H (FH) и C4b-связывающим белком (C4BP), ингибиторами системы комплемента, ограничивая активацию комплемента ранней частью классического пути. Основываясь на этих механизмах, можно сделать вывод, что фибромодулин оказывает противовоспалительное действие [30].
Таким образом, можно предположить, что в физиологических условиях фибромодулин, подобно бигликану, поддерживает баланс между про- и противовоспалительными реакциями. Однако в условиях патологии этот баланс нарушается, что может вызвать устойчивое воспаление тканей, например, в суставах. Так при воспалительных заболеваниях суставов хрящ разрушается и фибромодулин попадает в синовиальную жидкость [11].
Подобно фибромодулину, декорин и бигликан также являются регуляторами активации системы комплемента. Таким образом, SLRP посредством взаимодействия с различными компонентами системы комплемента либо активируют, либо ингибируют эту систему и жестко регулируют комплемент-зависимую воспалительную реакцию специфичным для молекул образом.
Влияние фибромодулина на активность TGF-β1 при стерильном воспалении
Помимо регуляции воспалительной реакции при заболеваниях суставов, фибромодулин также участвует в стерильном воспалительном процессе заживления кожных ран. Повышенные уровни фибромодулина коррелируют со снижением активности TGF-β1. Это основано на способности белковой части фибромодулина связываться с TGF-β1 в ECM [63].
Количество фибромодулина может уменьшаться в результате протеолиза металлопротеиназами MMP2, MMP8, MMP9 и MMP13, тромбоспондинами ADAMTS-4 и ADAMTS-5, что предотвращало образование комплекса фибромодулин-TGF-β с последующим увеличением биодоступности TGF-β [84].
Таким образом, фибромодулин, связывая TGF-β1 в ECM, предотвращает прогрессирование стерильного воспаления. Аналогичные механизмы были также описаны для декорина и бигликана. Основываясь на дифференциальной локализации SLRP в тканях, можно предположить, что это общий механизм с помощью которого SLRP защищают различные части органа от избытка активного TGF-β1.
Кроме этого роль фибромодулина в качестве провоспалительного DAMP подтверждается следующими данными. Уровень почечного фибромодулина увеличивается у пациентов с мембранозным гломерулонефритом и диабетической нефропатией. Повышение уровня сердечного фибромодулина определялось при сердечной недостаточности. Более высокое содержание фибромодулина, наряду с повышенными уровнями воспалительных цитокинов, было обнаружено в атеросклеротических бляшках у пациентов с сахарным диабетом. При артритах определялось повышение уровня фибромодулина в суставном хряще [45,69,75].
На рис. 33 представлены внутриклеточные молекулярные пути запуска комплемент-зависимого воспаления фибромодулином.
Рис. 33. Молекулярные основы патогенности фибромолулина при стерильном воспалении
Примечание. Фибромодулин модулирует врожденный иммунный ответ и воспаление как путем активации, так и путем ингибирования системы комплемента. Фибромодулин через свой N-концевой сайт связывается с компонентом комплемента C1q, что приводит к отложению C3b, и вместе они инициируют активацию комплемента. Запускается воспалительный сигнальный каскад, который включает перекрестное взаимодействие с TLR, регуляцию APC, а также активацию PMN, В-клеток, Т-клеток и тромбоцитов, что способствует врожденному иммунитету и воспалению. Чрезмерно активированное и неразрешенное воспаление приводит к воспалительным и аутоиммунным заболеваниям. Напротив, связывание C4BP и FH с комплексом фибромодулин/C1q/C3b приводит к ингибированию комплемента и, следовательно, к противовоспалительным эффектам.
Сокращения: APC – антигенпрезентирующие клетки; C1q – комплемент 1q; C3b – комплемент 3b; C4BP – белок, связывающий комплемент 4; FH – фактор H; TLR – Toll-подобный рецептор; PMN – полиморфноядерные лейкоциты, по материалам [92].
3.6. Перекрестная реактивность матриксных провоспалительных DAMPs
Из представленных выше многочисленных данных очевидно, что малые богатые лейцином протеогликаны (SLRP) различных классов, являющиеся структурными компонентами ECM, в ситуации системной прогрессирующей дезорганизации рыхлой волокнистой соединительной ткани приобретают свойства провоспалительных DAMPs. Молекулярно-клеточные механизмы реализации провоспалительных эффектов бигликана, декорина, люмикана, фибромодулина во многом идентичны или имеют перекрестный характер.
Основополагающей характеристикой реактогенности SLRP при ИВРЗ является их способность взаимодействовать с TLRs с последующей активацией системы врождённого иммунитета. На рис. 34 представлены молекулярные пути перекрестной реактивности вышеупомянутых SLRP, а также других представителей протеогликанов – аггрекана и версикана. Эти характеристики SLRP в условиях стерильного воспаления при ИВРЗ обеспечивают в т. ч. усиление и прогрессирование патологического процесса. Очевидно, что разработка средств модуляции провоспалительной реактогенности SLRP при ИВРЗ является достаточно перспективным направлением в повышении эффективности терапии ИВРЗ.
Рис. 34. Схема перекрестной реактивности малых протеогликанов экстрацеллюлярного матрикса и индукции провоспалительных сигнальных путей при стерильном воспалении
Примечание. Передача сигналов DAMPs, полученных при дезорганизации ECM соединительной ткани, осуществляется через рецепторы врожденного иммунитета – TLRs. HS-связывающие протеогликаны и SLRP расщепляются протеиназами и образующиеся растворимые молекулы действуют как DAMPs. Они активируют TLR рецепторы на поверхности макрофагов с последующей индукцией стерильного воспаления. Растворимые SLRPs – бигликан и декорин связываются с TLR2 и TLR4, фрагменты аггрекана передают сигнал через TLR2, а версикан – через комплекс TLR2/TLR6/CD14. LMW-HA сигнализирует через CD44 и дополнительно стимулирует TLR4-зависимую воспалительную реакцию. Эти взаимодействия способствуют нисходящей передаче сигналов, которая включает вовлечение MyD88 или TRIF; активацию NF-κB и p38, ERK MAPKs; и экспрессию провоспалительных цитокинов и хемокинов. Таким образом эти медиаторы привлекают нейтрофилы, макрофаги, В-лимфоциты и Т-лимфоциты к месту повреждения. Кроме того, растворимый бигликан связывает TLR2/4 с P2X7 и модулирует инфламмасому NLRP3. Напротив, LMW-HA активирует инфламмасому NLPR3 через CD44. Таким образом, бигликан и LMW-HA активируют каспазу-1, которая расщепляет pro-IL-1β в зрелый провоспалительный IL-1β.
Сокращения: ECM – внеклеточный матрикс; DAMPs – молекулярные структуры, связанные с опасностью; HS – гепарансульфат; SLRP – небольшой протеогликан, богатый лейцином; TLR – Toll-подобный рецептор; CD – кластер дифференцировки; LMW-HA – низкомолекулярная гиалуроновая кислота; MyD88 – первичный ответ миелоидной дифференцировки ген 88; TRIF, TIR-домен, содержащий адаптор-индуцирующий интерферон-β; NF-κB, ядерный фактор каппа-усилитель легкой цепи активированных В-клеток; ERK – киназа, регулируемая внеклеточным сигналом; MAPKs – активируемые митогеном протеинкиназы; NLRP3 – NOD-подобный рецепторный пириновый домен-содержащий 3; IL – интерлейкин; HA – гиалуроновая кислота; TNF – фактор некроза опухоли; CCL – лиганд хемокина (мотив C–C); CXCL – лиганд хемокина (мотив C–X–C), по материалам [25].