Причини розвитку та особливості відповіді організму на гостру фазу запалення

Пошкоджуючі фактори:

1. Операція, пологи, травми.

2. Інфекції.

3. Ішемічний некроз.

4. Хімічні речовини.

5. Автоантигени.

6. Пухлинний ріст.

Клінічними проявами запальної реакції є:

• Підвищення температури.

• Гіперемія.

• Набряк.

• Біль.

• Порушення функції органу, тканини, в яких формується запальне вогнище.

Усі вище вказані прояви зумовлені певними місцевими та системними реакціями організму.

Місцева реакція зумовлена:

• розширенням судин та підвищенням їх проникливості;

• агрегацією тромбоцитів та посиленим тромбоутворенням;

• акумуляцією нейтрофілів та макрофагів;

• вивільненням протеаз та інших лізосомальних ферментів;

• вивільненням медіаторів (гістаміну, серотоніну, простагландинів, лейкотрієнів, кінінів, ІL-1, інших прозапальних цитокінів тощо);

• стимуляцією фібробластів

Відповідь організму на пошкоджуючий чинник (гостра фаза) – це системні реакції, результатом яких є смерть клітин (некроз) та початок репаративних процесів.

Системні реакції:

• гарячка та біль;

• лейкоцитоз;

• збільшення секреції певних гормонів;

• активація системи комплементу та каскаду системи згортання крові;

• зменшення вмісту заліза й цинку в сироватці крові;

• транспорт амінокислот із м’язів у печінку;

• збільшення синтезу білків гострої фази.

У розвитку реакції запалення можна виділити наступні послідовні етапи розвитку:

1. Судинна реакція та ексудація.

2. Міграція лейкоцитів у вогнище запалення.

3. Нейтралізація та елімінація збудника.

4. Включення механізмів специфічного (набутого) імунітету.

5. Завершення або хронізація запального процесу.

У зв’язку з тим, що найбільш вираженою є захисна запальна реакція за умови проникнення в організм інфекційного збудника, на цьому прикладі ми розглянемо етапи цієї реакції.

1. Розвиток судинної реакції та ексудації

Каскад запальних реакцій після проникнення інфекційного агенту в організм починається з розвитку судинних змін, для яких характерні розширення артеріол та посилення кровопостачання зони запалення, гіперемії (почервоніння), гіпертермії (підвищення температури) з наступним підвищенням проникливості судинної стінки. У результаті цього з кровоносних мікросудин витікає велика кількість рідини, багатої різними білками плазми крові, що стає причиною набряку навколишніх тканин, підвищення їх тургору, стиснення нервових закінчень, що викликає біль.

У відповідь на антигени і токсини мікроорганізмів, а також інші пошкоджуючі фактори, навколишні клітини (лейкоцити, епітелій, ендотелій судин, нервових закінчень тощо) локально синтезують судинорозширюючі медіатори (гістамін, брадикінін, простагландин Е2 тощо). Гістамін і брадикінін викликають скорочення мікрофіламентів ендотелію, в результаті чого клітини ендотелію стають високими і кубоподібними. Це приводить до тимчасового збільшення відстані між міжепітеліальними клітинами та підвищення судинної проникливості. Перехід рідкої частини крові в міжклітинний простір здійснюється, в основному, через невеликі посткапілярні венули. Натомість, тромбоцити і/або серотонін звужують ці проміжки. За останній час з’явилися повідомлення про механізми виходу з судин білків плазми крові шляхом включення їх до складу везикул з подальшим транспортуванням цих білків через цитоплазму ендотеліальних клітин. Формуванню набряку також сприяють нейрогенні медіатори, які вивільняються в місцях пошкодження клітин. Завдяки учасників запальної реакції (екзо- та ендотоксинів інфекційних збудників, інших пошкоджуючих чинників) формуються умови для втягнення великих площ тканини в некротичний процес, що приводить до порушення місцевого постачання крові. Такі зміни можуть привести до формування абсцесу, флегмони складовими частинами яких стають позаваскулярний конгломерат нейтрофілів, некротичні тканини та білки рідкої частини крові. Часто наявність таких ускладнень потребує хірургічного втручання.

До медіаторів запалення, які збільшують судинну проникливість належать: гістамін, серотонін, С3а, С5а компоненти комплементу, брадикінін, лейкотрієни (LTС4, LTD4, LTЕ4), тромбоцитактивуючий фактор тощо.

2. Міграція лейкоцитів у вогнище запалення

Першими у вогнище запалення поступають нейтрофіли, на другу добу - макрофаги, дендритні клітини і лімфоцити; пізніше - Т-цитотоксичні лімфоцити (CD8⁺) і В-лімфоцити. Усі вище перераховані клітини та фактори природженого імунітету злагоджено співпрацюють між собою. Так, компоненти комплементу вкривають мікроорганізми, та, виступаючи у ролі опсонінів, сприяють їх фагоцитозу. Активовані макрофаги при цьому синтезують опсоніни. Макрофаги і нейтрофіли продукують чисельні хемокіни та цитокіни. Метою гострої запальної реакції є не тільки спроба стримати розвиток інфекції, а й створення умов для розвитку специфічної імунної відповіді.

Міграція клітин у запальне вогнище мінлива й залежить від анатомічної області, в якій формується патологічний процес; від присутності хемотактичних молекул, від наявності різних цитокінів у тканинах, від характеру активації мігруючих клітин тощо.

У процесах міграції виділяють кілька етапів: 1) адгезія лейкоцитів до ендотелію судин; 2) трансендотеліальна міграція; 3) хемотаксис - скерована міграція в міжклітинному просторі.

Адгезія лейкоцитів до ендотелію судин. Лейкоцити контактують з ендотелієм венул завдяки наявності на них молекул адгезії (селектинів та інтегринів). На клітинах високого ендотелію венул експресуються наступні молекули адгезії - ICAM-1, ICAM-2, VCAM, MadCAM-1 тощо. Після взаємодії міжклітинних молекул адгезії, лейкоцити прикріплюються (адгезуються) до клітин ендотелію судин. У процесі адгезії лейкоцитів виділяють три фази: 1) фаза «місцезнаходження скраю» - лейкоцити котяться по ендотелію, сповільнюючи свій рух; цей процес пов’язаний з взаємодією селектинів та вуглеводневих лігандів, які гальмують рух лейкоцитів; 2) фаза активації - лейкоцити активуються цитокінами, хемокінами та іншими агентами; 3) фаза прикріплення - повна зупинка лейкоцитів, їх прикріплення до ендотелію судин і підготовка до проникнення в міжепітеліальний простір.

Черговість експресії молекул адгезії на поверхні епітеліальних клітин впливає на фази міграції різних клітин у вогнище запалення. Так, рання експресія Е-селектинів на поверхні ендотеліальних клітин забезпечує адгезію до них нейтрофілів. Для лімфоцитів та макрофагів, які другими за чергою з’являються в зоні запалення, важливу роль відіграє експресія на їх поверхні молекул β2-інтегринів (LFA-1, CR3), які зв‘язуються з ендотеліальними адгезинами ICAM-1 і ICAM-2. Такий механізм забезпечує чітку черговість міграції лейкоцитів через ендотелій судин та поетапну появу різних клітин у вогнищі запалення.

Трансендотеліальна міграція - проникнення лейкоцитів через стінку судин та їх вихід у міжклітинний простір. Цей процес відбувається завдяки зв’язування лейкоцитів через молекули адгезії з клітинами базальної мембрани. Виділяючи колагеназу та інші ферменти, лейкоцити «розплавляють» базальну мембрану судин і проникають у тканини.

Хемотаксис - скерований рух лейкоцитів у міжклітинному просторі. Лейкоцити, які вийшли з кровоносного русла втрачають адгезини і експресують нові молекули - рецептори для хемотактичних факторів. В умовах міжклітинного матриксу переміщенню лейкоцитів сприяють адгезивні молекули з групи β2-інтегринів, які отримали назву «дуже пізні» інтегрини (VLA - very late antigen). Ця група адгезинів включає молекули для взаємодії з колагеном (VLA-2 і VLA-3), ламініном (VLA-3 і VLA-6), фібронектином (VLA-3, VLA-4 і VLA-5) тощо. Тобто, названі структури служать рецептором до того субстрату, з яким лейкоцити будуть взаємодіяти в процесі руху в міжклітинному середовищі. Скерованість руху лейкоцитів визначається поступовим зростанням концентрації різних хемотаксичних речовин в міру наближення до вогнища запалення. Роль хемоаттрактантів виконують наступні речовини: 1) продукти життєдіяльності чи деструкції мікроорганізмів (ліпополісахариди, токсини, фрагменти нуклеїнових кислот); 2) N-формілметіонінові пептиди - синтезуються мікроорганізмами; 3) цитокіни (IL-1β), лейкотрієн В4, сАМР, гістамін, С-реактивний білок); 4) компоненти комплементу С3а і С5а; 5) продукти розпаду імуноглобулінів; 6) ушкоджені та денатуровані білки; 7) ферменти білків системи зсідання крові (тромбін, фібрин); 8) хемокіни - активні хемоаттрактанти, які відносяться до цитокінів (α- і β-хемокіни, які відрізняються різним розміщенням залишків цистеїна біля N-кінця молекули). На мембранах мігруючих лейкоцитів експресуються рецептори для хемоаттрактантів, при взаємодії яких з відповідними лігандами (хемоаттрактантами) клітина отримує активізаційний сигнал для скерованого руху клітини. Більшість цих рецепторів зв’язані з мембранним протеїном G, який виконує роль провідника активізаційного сигналу з поверхні всередину клітини. У результаті складних біохімічних реакцій відбувається реструктуризація клітини, яка набуває форму краплі чи трикутника, а зі сторони активованого рецептора висувається відросток цитоплазми (ламелоподіум), який скерований в сторону запального вогнища. За допомогою повторних скорочень мікрофіламентів клітина починає рухатися вперед. У центрі запального вогнища скерований рух клітин сповільнюється і вони розпочинають виконувати свої безпосередні функції. Хемотаксис пригнічується певними цитокінами (MIF - migration ingibition factor) та фармацевтичними препаратами.

2. Нейтралізація та елімінація збудника.

Знищення збудника здійснюють імунокомпетентні клітини, розчинні гуморальні фактори - білки гострої фази, білки компонентів комплементу, ферменти, активні форми кисню та азоту. Клітинні та гуморальні фактори доповнюють один одного, посилюючи кілінговий ефект.

Виділяють наступні механізми нейтралізація та елімінація збудника при запальній реакції:

1) нейтралізація й опсонізація збудника гуморальними факторами імунної системи;

2) позаклітинний цитоліз/кілінг;

3) фагоцитоз (внутрішньоклітинний кілінг);

4) контактний кілінг.

Нейтралізація й опсонізація збудника гуморальними факторами імунної системи.

Білки гострої фази запалення (СРБ, фібронектин, природні імуноглобуліни тощо) та білки системи комплементу (С3b) потрапляють у вогнище запалення раніше, ніж нейтрофіли і сприяють «обгортанню» (опсонізації) мікроорганізмів, завдяки чому полегшується прикріплення та поглинання збудника нейтрофілами та макрофагами, знищення NК-клітинами.

Після проникнення в організм причинного фактору (наприклад, бактерії), відразу за участю рецепторів PRR – TLR (патерн-розпізнаючі рецептори - Toll-like рецептори) та NLR, рецепторів до компонентів комплементу індукується гостра запальна реакція. Ці рецептори знаходяться на багатьох типах клітин, активацію яких індукує низки запальних медіаторів, з яких найважливішими є хемокіни, дефензини (катіонні білки) та деякі цитокіни. У цей же час активується система комплементу класичним шляхом за участю широкоспецифічних природніх антитіл або лектинів. Окрім цього, стимулюється активація система комплементу за альтернативним шляхом. Ці механізми сприяють знищенню мікроорганізмів та водночас стимулюють притягненню гранулоцитів, макрофагів та дендритних клітин до місця локалізації патогенну й формування запальної реакції.

Позаклітинний цитоліз/кілінг - процес знищення патогену токсичними факторами, які продукують у позаклітинний простір кілерні клітини. До цих токсичних факторів відносяться:

1) Продукти «респіраторного вибуху» - активні форми кисню, перекис водню та їх похідні. Споживання кисню фагоцитами при цьому зростає в десятки разів. До ферментів, які ініціюють «респіраторний вибух» відноситься оксидаза плазматичної мембрани, яка використовує відновлену нікотинаденілдифосфорну кислоту (НАДФ).

2) Продукти дегрануляції лейкоцитів (нейтрофілів, макрофагів, мастоцитів, еозинофілів). На теперішній час відомі біля 120 активних білків і ферментів, які приймають участь у процесах кілінгу та руйнуванні мікроорганізмів: а) ферменти з пероксидазною активністю (мієлопероксидаза, лактопероксидаза); б) білки, які ушкоджують мікробні мембрани (катіонні білки/дефензини, катепсин D, лізоцим); в) лактоферин, трансферин. На ранніх етапах найбільш активні ті ферменти, які діють у нейтральних або в слабо лужних умовах (еластаза, колагеназа, катепсин D). В умовах закислення, яке відбувається при реакціях лізису тканин і/або утворення гною, більш ефективними виявляються кислі гідролази (β-гліцерофосфатаза, α-маннозидаза тощо). Особливо важливу роль у позаклітинному кілінгу відіграє так звана «токсична тріада»: Н₂О₂-мієлопероксидаза-галоген (J^- або Cl^-), яка забезпечує інтенсивне перекисне окислення, галогенізацію та інактивацію збудника. Нейтрофіли стимулюють синтез метаболітів арахідонової кислоти (в т.ч. лейкотрієнів) та тромбоцитактивуючого фактору, який ще більше посилює запальну відповідь. Людська нейтрофільна еластаза руйнує еластин, а в комплексі з катепсином G - протеолітично модифікує колаген, який остаточно знищується колагеназою. Окрім, прямого пошкоджую чого впливу на тканини, людська нейтрофільна еластаза інактивує IgG, IgM та С3-компонент комплементу; скорочує їх активність як опсонінів; гальмує фагоцитоз мікроорганізмів і сприяє персистенції інфекції.

3) Продукти метаболізму окису азоту - у макрофагах, нейтрофілах, ендотеліоцитах та інших клітинах відбуваються реакції метаболізму аргініну до цитруліна під впливом NO^--синтази при активній участі іонів Са⁺⁺, НАДФ і LТB4, в результаті чого утворюється окис азоту, який володіє сильним бактерицидним ефектом, особливо проти мікобактерій, лістерій та інших збудників.

Фагоцитоз (внутрішньоклітинний кілінг) - складається з наступних етапів: 1) активація фагоцита, 2) хемотаксис, 3) адгезія, 4) поглинання, 5) процесінг (перетравлення). Адгезія зумовлена взаємодією рецепторів мембрани фагоцита з відповідними лігандами на поверхні клітини-мішені (збудника). Існує кілька груп рецепторів, які найбільш важливі для адгезії: 1) маннозозв’язуючий білок і селектини - розпізнають кінцеві вуглеводневі залишки (глюкоза, фруктоза, манноза, галактоза тощо) на поверхні бактерій та власних клітин із зруйнованим сіаловим покриттям; 2) інтегрини (β1 і β2) - розпізнають рецептори клітин ІСАМ-1, 2, 3, а також колаген, фібронектин, ламінін тощо; 3) рецептори до компонентів комплементу (С3b, меншою мірою - С4b, С5b і фактор Н); 4) рецептори до Fc-фрагменту імуноглобулінів; 5) електростатичні та гідрофобні взаємодії фагоцита та клітини-мішені.

Неспецифічний контактний кілінг - процес знищення клітини-мішені шляхом її прямого контакту з клітиною кілером (NК-клітини, макрофаги, нейтрофіли). Ці реакції особливо важливі на ранніх етапах інфекційного процесу, причинами якого стають віруси та внутрішньоклітинні збудники. На першому етапі клітина-мішень фіксується на поверні клітини-кілера за допомогою адгезивних молекул типу інтегринів, манозозв’язуючих, Fc- і CR- рецепторів. У випадку відсутнього пошкодження власної клітини, на якій експресовані молекули HLA І класу, процес кілінга не розвивається; якщо клітина пошкоджена і на ній відсутні молекули HLA І класу, включаються механізми знищення клітини через апоптоз. Гранули NK-клітин містять перфорин і гранзими. Дискутується участь у контактному кілінгу активних форм кисню, перекису водню, оксиду азоту та його метаболітів, катіонних білків, гідролітичних ферментів та низки інших речовин, які продукуються в місці контакту. На противагу Т-цитотоксичним лімфоцитам, NK-клітини не використовують Fas-залежний механізм кілінгу, а також TNF-α.

2. Включення механізмів специфічного (набутого) імунітету.

Основні події розгортаються в регіональному лімфатичному вузлі або селезінці, куди антиген доставляється антигенпрезентуючими клітинами або плином лімфи (крові) безпосередньо з вогнища запалення. Важливу роль у запуску набутого імунітету відіграють прозапальні цитокіни (IL-1, TNF-α, IFN-γ, IL-6 тощо), які активують лімфоцити та клітини їх мікрооточення, що формує сприятливі умови для кооперативної роботи різних клітинних популяцій. Сучасні уявлення не виключають можливості включення процесів проліферації і диференціації лімфоцитів безпосередньо в вогнищі запалення. Ці процеси забезпечують цільову специфічну імунну відповідь – завершення запального процесу та знищення збудника.

2. Завершення або хронізація запального процесу.

У випадку повного знищення збудника запальної реакції відбувається виздоровлення.

Якщо організм не здатний ліквідувати збудника інфекції, розвивається хронізація процесу. При затуханні реакцій антигенної стимуляції в вогнищі запалення починають переважати цитокіни, які принічують міграцію нових клітин, активність респіраторного вибуху, дегрануляцію клітин і попереджують поширення запальної реакції. На завершальному етапі запалення значну роль відіграють макрофаги, які сприяють синтезу нових колагенових структур, регенерації рани та капілярів, відновлюючи кровопостачання в ураженій ділянці.

У випадку тривалої персистенції антигену процес переходить у хронічну стадію. Змінюється клітинний склад ексудату (майже відсутні нейтрофіли, багато лімфоцитів та макрофагів), макрофаги диференціюються і синтезують велику кількість TNF-α. Хронічне запалення часто завершується формуванням гранульом. IL-23 виконує координуючу роль при взаємодії природженого та набутого імунітету. Цей інтерлейкін контролює перебіг інфекційного процесу, активує Т-клітини пам’яті, володіє вираженою протипухлинною дією.

Механізми регуляції імунної відповіді.

Існують наступні механізми регуляції імунної відповіді на запальний процес:

1. Самопосилення імунної відповіді.

2. Самообмеження імунної відповіді.

3. Гальмування імунної відповіді.

Самопосилення імунної відповіді відбувається поетапно: 1) після антигенпрезентації Т-хелпери 1 типу починають активно продукувати IL-2 (фактор росту Т-лімфоцитів), який викликає проліферацію самих Т-хелперів (аутокринний механізм) та аналогічних клітин (паракринний механізм), що сприяє утворенню такої кількості Т-лімфоцитів, яка перевищує число причинних антигенів; 2) система IL-2 - ІL-12, в основі якої лежить синтез Т-хелперами 1 типу IL-2стимуляція синтезу макрофагами ІL-12дозрівання Т-хелперів 1 типупродукція нових порцій IL-2посилення Т-хелпер-1 імунної відповіді.

Також двоетапно відбувається самообмеження імунної відповіді : 1) активовані макрофаги синтезують простагландин Е2, який пригнічує активність специфічних та неспецифічних Т-лімфоцитів; 2) під впливом γ-IFN макрофаги продукують фермент, який сприяє синтезу вітаміну D3 (кальцитріолу), який, в свою чергу, пригнічує активність Т-лімфоцитів та обмежує утворення гранульоми. Клінічний ефект кальцитріолу виявляється в хворих з тривалим існуванням гранульом (саркоїдоз, туберкульоз) у вигляді гіперкальціємії та гіперкальцитурії, що стає причиною кальцифікації судин, сполучної тканини внутрішніх органів та нефролітіазу.

Гальмування імунної відповіді на запальний процес відбувається в основному за рахунок діяльності моноцитів/макрофагів, які, як відомо, здійснюючи фагоцитоз, презентують антиген Т-лімфоцитам. У випадку повного знищення патогену, ці клітини припиняють синтез прозапальних цитокінів, утворення адгезивних молекул. Цприврдить до зупинки фагоцитозу та антигенпрезентації. Всі вище вказані фактори та механізми гальмують апоптоз Т-лімфоцитів у вогнищі запалення. Після закінчення роботи моноцитів/макрофагів лімфоцити, які задіяні в імунній відповіді, гинуть і залишаються тільки клітини-пам’яті. Окрім цього, моноцити/макрофаги синтезують трансформуючий фактор росту β (TGF-β), який, активуючи фібробласти, сприяє посиленому синтезу колагену, колагенових волокон, регенерації ушкоджених тканин, посиленому росту судин та нервів у регенерованій тканині, утворенні sIgA. Суттєвий внесок у гальмування імунної відповіді вносить IL-10, який синтезується Т-хелперами 2 та 3 типів.

Реакція гострої фази, або так звана гостра фаза запалення реалізується завдяки факторам природженої імунної відповіді й включає в себе зміни, які, в першу чергу, стосуються власне відповіді на пошкодження тканин. Ця реакція проявляється в вигляді підвищеного синтезу білків, які називаються білками гострої фази або реактантами позитивної гострої фази. Білки, які синтезуються з метою нейтралізації запалення, називаються негативними гострофазовими реактантами.

Більшість білків гострої фази синтезується в печінці, менша частина таких білків синтезуються ендотеліоцитами, фібробластами та адипоцитами. Головним стимулятором синтезу цих білків є IL-6, а також LIF, OSM та IL-11, IL-1 і TNF-α. Функції імунокомпетентних клітин щодо синтезу цитокінів та їх впливу на формування імунної відповіді подані в таблиці 1.

Таблиця 1