Mast Cells Heparin — New Information on the Old Component (Review)

Full Text

Введение

Тучные клетки (ТК, мастоциты, лаброциты) — многофункциональная, диффузная, очень широко распространенная в организме животных и человека популяция долгоживущих клеток, которая выполняет многие гомео-статические функции. Благодаря большому разнообразию своих рецепторов ТК селективно реагируют на различные типы раздражителей окружающей микросреды и всего организма в целом, включая микробные, нервные, иммунные, гормональные, метаболические, химические, а также экологические [1]. Наличие на поверхности ТК высокоаффинных рецепторов к IgE (FcεRI), IgG (FcγRI) и рецепторов для компонентов комплемента C3b и С3d, а также взаимодействие с несколькими различными типами клеток иммунологического и неиммунологического происхождения позволяют рассматривать ТК как центральные элементы врожденного иммунитета и модуляторы адаптивного иммунного ответа. В этом плане функции ТК точнее всего охарактеризовать как связующее звено врожденного и адаптивного иммунитета [1, 2].

ТК участвуют в широком разнообразии физиологических и патологических процессов. Во всех случаях реакция ТК сопровождается высвобождением разнообразных биологически активных соединений, известных как медиаторы, тем самым реализуя противовирусную, противомикробную, противопаразитарную, иммунную, метаболическую и другие функции [1, 3]. Защитные свойства ТК во многом связаны с уникальными свойствами гепарина — гликозаминогликана, присущего только ТК, который характеризуется сильно выраженной способностью образовывать комплексные соединения со многими биологически активными веществами, в том числе с токсическими агентами, обезвреживая их. В биологическом контексте действие гепарина тесно связано с защитными реакциями при повреждении тканей и проникновении экзогенных патогенных возбудителей [4–6]. ТК считаются основным, если не единственным источником гепарина в организме животных и человека [7, 8]. В гранулах ТК большинства живых существ гепарин составляет основу гелевого матрикса, где он существует в связи с протеогликаном — серглицином. Главная роль гепаринового матрикса заключается в обеспечении оптимального расположения, хранения и регуляции экспорта синтезируемых ТК медиаторов. Среди медиаторов, характерных только для ТК, можно отметить протеазы — триптазу, химазу и карбоксипептидазу A3, а также другие медиаторы и биологически активные вещества. Гепарин проявляет в отношении них регуляторные свойства [8, 9]. На трансгенных животных с дефицитом фермента биосинтеза гепарина N-деацетилазы/N-сульфотрансферазы 2 показано, что это приводит к генерации дефектных ТК, отличительной чертой которых было очень малое количество секреторных гранул и отсутствие в них гепарина, гистамина и протеаз [10]. В экспериментах с использованием гепариназы — фермента, деполимеризующего гепарин, выявлен неконтролируемый экспорт медиаторов в межклеточную среду [7]. Эти данные указывают на то, что гепарин является основным системообразующим компонентом гелевого матрикса гранул ТК. Многие исследователи относят гепарин ТК к группе биологически активных веществ широкого спектра действия [7, 8]. Из активированных ТК гепарин выделяется в виде высокомолекулярного соединения (75 000–100 000 Д), но вскоре подвергается модификации — расщепляется на гликозаминогликановые цепи от 5000 до 30 000 Д [3, 7].

Фармакологические коммерческие препараты высокомолекулярного гепарина для клинического применения получают из биологического сырья — либо из слизистой оболочки кишечника свиней, либо из легких крупного рогатого скота — в связи с тем, что химический синтез гликозаминоглаканов очень сложен. Ткани животных гомогенезируют, добавляют катионные детергенты, которые образуют с полианионом–гепарином нерастворимые в воде соли. Соли эти растворяют в растворах неорганических солей, например хлористого натрия, при определенных значениях рН. Клиническое применение гепарина стало возможным после 1930 г., когда были получены его натриевые соли. Молекулярная масса коммерческих высокомолекулярных гепаринов, используемых в качестве лекарственных препаратов, составляет 12 000–19 000 Д. Коммерческие препараты гепаринов стандартизируют с помощью биоанализа, основанного на ингибировании фактора коагуляции Ха. Высокомолекулярный гепарин плохо всасывается через слизистую оболочку желудочно-кишечного тракта, поэтому его вводят внутривенно, подкожно, ингаляционно и др. Высокомолекулярный гепарин используется для лечения венозного тромбоза, тромбоэмболии легочной артерии и других заболеваний из-за его быстрого начала действия, тогда как пер-оральные антикоагулянты (такие как варфарин) обладают медленным началом действия. До настоящего времени высокомолекулярный гепарин является наиболее часто употребляемым антикоагулянтом при терапии острых тромбозов для лечения пациентов от момента рождения до преклонного возраста [7, 11, 12]. Чаще всего высокомолекулярный гепарин применяют в очень высоких дозах, длительное время (от 4 до 20 дней и более). Например, для лечения тромботических осложнений у детей малой дозой считается доза менее 100 ЕД/кг, а высокой — более 100 ЕД/кг [12]. У некоторых пациентов (5–15%) высокомолекулярный гепарин может индуцировать образование антител, которые способны вызвать жизне-угрожающий синдром, известный как гепарин-индуцированная тромбоцитопения. Гепарин-индуцированная тромбоцитопения — это атипичная реакция иммунного ответа, характеризующаяся образованием иммуногенных комплексов гепарина и антитромбоцитарного фактора 4, которые могут связываться с бактериями. Последнее является доказательством того, что образование данных комплексов является древним механизмом защиты хозяина [13]. Как правило, гепарин-индуцированная тромбоцитопения возникает вследствие введения больших доз высокомолекулярного гепарина и значительной длительности гепаринизации. В настоящее время появляется все больше данных, полученных на людях и животных, свидетельствующих о том, что высокомолекулярный гепарин, используемый в малых и очень малых дозах, достаточно безопасен, очень эффективен и незаменим, особенно при черепно-мозговых травмах, инсультах и аневризмах [14–16].

В связи с тем, что аутоиммунное явление — гепарин-индуцированная тромбоцитопения может приводить как к истощению тромбоцитов, так и к парадоксальному протромботическому состоянию со значительным риском развития артериальных и венозных тромбоэмболических осложнений, с помощью ферментативного расщепления и химического синтеза были разработаны способы получения низкомолекулярных разновидностей гепарина [16]. Кумулятивные эффекты низкомолекулярных гепаринов различаются, и каждый продукт имеет свой профиль, поэтому сведения, полученные при изучении свойств одного низкомолекулярного гепарина, нельзя экстраполировать на другие. Преимуществами низкомолекулярных гепаринов являются: более выраженная направленность анти-Ха-эффекта, бóльшая биодоступность, по ряду сведений — меньшее число осложнений. Тем не менее риск развития гепарин-индуцированной тромбоцитопении не исключен также и в случае терапевтического применения низкомолекулярного гепарина [16].

На сегодняшний день достаточно много известно о ТК, их роли в широко распространенных аллергических реакциях и других воспалительных заболеваниях. Немало исследований посвящено разработке профилактических и лечебных средств, направленных на снижение численности ТК и предотвращение секреции провоспалительных медиаторов. Однако становится все более очевидным, что такие применяемые лечебные средства, как глюкокортикоиды, антигистамины и стабилизаторы мембран, обладают серьезными побочными эффектами, особенно выраженными при длительном применении. В экспериментальных работах показано, что высокомолекулярный гепарин, используемый в очень малых дозах, обладает значительным противовоспалительным действием, проявляет антистрессорные, седативные, антиноцицептивные и другие позитивные эффекты, далеко выходящие за рамки своих традиционно известных антикоагулянтных свойств [8, 17, 18].

За последние 20 лет не наблюдается значительного прогресса в изучении роли гепарина в адаптивных реакциях, редко встречаются работы, раскрывающие механизмы действия этого гликозаминогликана в системе медиаторов ТК и на уровне организма. Цель данного обзора — привлечь внимание исследователей к роли гепарина в ТК, подчеркнуть влияние гепарина на сигнальные внутри- и внеклеточные каскады в связи с тем, что наиболее полная характеристика этих процессов важна как для понимания патогенеза различных заболеваний с участием ТК, так и для расширения применения гепарина в качестве профилактического и лечебного средства.

Происхождение тучных клеток, распределение в организме

В истории исследования ТК гораздо больше работ посвящено роли ТК в патологических процессах, имеющих в своей основе чрезмерную активацию ТК и проявление воспалительного компонента, чем их участию в физиологических процессах. Однако в настоящее время при таких заболеваниях, как аллергические, аутоиммунные, нейродегенеративные, сердечно-сосудистые и онкологические, исследователи часто обнаруживают у ТК защитные функции. Такая противоречивая двойственность эффектов ТК во многих процессах позволила выдвинуть гипотезу о возможном существовании нескольких разных фенотипов ТК. Для понимания состава популяции ТК в тканях и, следовательно, их биологических функций во взрослом организме решающее значение имеет выяснение происхождения, пути развития, дифференцировки, появления медиаторов ТК и, конечно, гепарина в эмбриональном периоде.

Бóльшая часть исследователей придерживается достаточно весомо доказанной модели дифференцировки ТК, согласно которой коммитированный предшественник ТК (MCр) формируется в красном костном мозге из гемопоэтических стволовых клеток. Эта модель постоянно подтверждалась путем выявления у взрослых особей предшественников ТК из костного мозга [19, 20]. Следует заметить, что в последние два десятилетия определено, что, несмотря на общность названия, гематопоэтические стволовые клетки, также как и их предшественники (гемангиобластные и преганглиобластные клетки), составляют сложную гетерогенную смесь различных субпопуляций разной степени зрелости, обладающих специфическими характеристиками: поверхностных кластеров дифференцировки, времени жизни, кратко- и долгосрочной регенеративной активностью, профилями экспрессии генов и эпигенетических программ дальнейшей дифференцировки. Гематопоэтические стволовые клетки обнаруживаются в костном мозге у детей и взрослых. Потенциал гематопоэтических стволовых клеток и клеток-предшественников может регулироваться экзо- и эндогенными факторами. Клональный состав популяции гематопоэтических стволовых клеток изменяется с возрастом — поликлональный гемопоэз постепенно становится олигоклональным [21, 22]. Считается, что гематопоэтические стволовые клетки через последовательное прохождение стадий мультипотентного предшественника (MPP), общего миелоидного предшественника и гранулоцитарно-макрофагального предшественника превращаются либо в коммитированный предшественник ТК, либо через стадию FcεRI + гранулоцитарно-макрофагальный предшественник, либо через формирование бипотентного предшественника ТК и базофилов превращаются либо в ТК, либо в базофилы [23–25].

Совсем недавно в работах, основанных на применении современных технологий, Z. Li et al. (2018) показано, что предшественники ТК плода человека происходят от всех трех волн эмбрионального кроветворения (рис. 1) [23].

Все стволовые клетки основных эмбриональных периодов (гематопоэтических стволовых клеток) проходят через промежуточную стадию коммитированных предшественников ТК, которая достаточно специфично может быть определена по экспрессии ими интегрина β7. Коммитированные предшественники ТК, происходящие из стволовых клеток раннего эмбриогенеза — эритро-миелоидных предшественников, развиваются первыми и заселяют большинство тканей (см. рис. 1). С возрастом происходит увеличение экспрессии T1/ST2 (стимулирующий фактор роста, экспрессирующийся геном 2, также известный как Т1), что связано с генерацией гранул в этих коммитированных предшественниках ТК, при этом экспрессия интегрина β7 снижается (см. рис. 1) [23].

Рис. 1. Схема происхождения тучных клеток по Z. Li et al. (2018): 1–3 — HSC — стволовые клетки основных эмбриональных периодов: 1 — эритро-миелоидные, 2 — печеночные, 3 — костномозговые; МСр — коммитированные предшественники тучных клеток; интегрин β7, T1/ST2 и FεcRI — маркеры тучных клеток соответствующих эмбриональных периодов.

Впоследствии эти клетки замещаются производными коммитированных предшественников ТК позднего эмбриогенеза, они колонизируют периферические эмбриональные ткани, где завершают свое окончательное созревание, о чем свидетельствует появление метахроматического окрашивания при использовании толуидинового синего или хлорацетат-эстеразы. Метахромазия, т.е. способность окрашивать элементы клеток и тканей в иной цвет, чем раствор красителя, является специфическим свойством связывании полианионной молекулы гепарина с катионными красителями (рис. 2) и доказывает, что этот гликозаминогликан начинает синтезироваться в ТК уже в позднем эмбриогенезе. Z. Li et al. установили, что большее число таких ТК прежде всего появляется в периферических тканях, например в коже, тогда как в брюшине их гораздо меньше. Эти наблюдения свидетельствуют о том, что гетерогенность ТК обнаруживается уже в эмбриогенезе. ТК, происходящие из трех разных источников, имеют различные тканевые предпочтения, формируют неоднородность и нюансы функций тканевых резидентных ТК у взрослых особей. Незадолго до рождения плода ТК обладают высоким пролиферативным потенциалом, который значительно снижается сразу после рождения [23].

Рис. 2. Метахроматическое окрашивание тучных клеток в соединительной ткани, окружающей кровеносные сосуды печени половозрелого самца крысы Wistar (норма). Окраска толуидиновым синим рН 2.×680

ТК, происходящие от производных коммитированных предшественников ТК позднего эмбриогенеза, сохраняются в большинстве соединительных тканей во время позднего эмбриогенеза и ранней взрослой жизни. Таким образом, эти ТК являются ведущей, долгоживущей популяцией пула соединительной ткани взрослых особей. Тогда как ТК, происходящие из костномозговых источников — гематопоэтических стволовых клеток плода, которые до рождения локализуются преимущественно в слизистой оболочке, являются недолговечными клетками и способны постоянно обновляться из костномозговых предшественников. ТК, развившиеся из стволовых клеток раннего эмбрионального периода, исчезают из большинства тканей, оставаясь до зрелого возраста лишь в жировой ткани, головном мозге и плевральной полости. Вероятно, в указанных тканях отсутствуют факторы окружающей среды, к которым эти клетки чувствительны [23].

Таким образом, разделение на ТК слизистых оболочек и ТК соединительной ткани происходит еще в эмбрио-нальном периоде и сохраняется во взрослом состоянии. Вполне вероятно, что эта классификация является упрощением истинной ситуации [1, 3, 26]. В организме взрослых особей ТК соединительной ткани располагаются вокруг венул и нервных окончаний в соединительной ткани большинства органов (кожа, язык, трахея, пищевод, плевральная полость) (см. рис. 2), тогда как ТК слизистых оболочек располагаются в собственной пластинке кишечника и дыхательных путей. В организме взрослых млекопитающих общая масса ТК составляет около 2% от массы тела. ТК встречаются практически во всех органах и тканях (кроме хрящевой и костной), однако распределяются по органам неравномерно, например, в норме в селезенке и кишечнике их заметно больше, чем в легких. При заболеваниях наблюдается значительное увеличение численности ТК [7, 8].

Форма ТК варьирует в зависимости от органа, в котором данные клетки локализованы. ТК слизистых оболочек характеризуются преимущественно округлой формой и центрально расположенным ядром, тогда как ТК соединительных тканей, как правило, овальные (см. рис. 2) или вытянутые, в дерме эти клетки могут быть нитевидными, веретеновидными или звездчатыми, а ядро у них может быть смещено от центра. Размеры ТК также широко варьируют — от 6 до 24 мкм в диаметре. Ядро ТК относительно крупное (4–7 мкм в диаметре), несегментированное, с умеренным содержанием гетерохроматина, содержит чаще всего 1–2 ядрышка. В цитоплазме ТК присутствуют все органеллы, характерные для эукариотических клеток, а также особые структуры — липидные тельца, которые служат местом хранения арахидоновой кислоты. Для ТК типично наличие многочисленных гранул (см. рис. 2), окруженных однослойной мембраной и занимающих около 55% объема клетки. Для гранул ТК характерно разнообразие размеров и набора содержащихся в них медиаторов. Основные различия популяций ТК заключаются в содержании нейтральных протеаз в их гранулах. ТК соединительной ткани характеризуются присутствием триптазы и отсутствием химазы, тогда как ТК слизистых оболочек содержат как химазу, так и триптазу [27]. Следует отметить, что у животных разных линий в аналогичных тканях наблюдается значительное варьирование по содержанию в гранулах ТК указанных нейтральных протеаз [28]. У людей с такими заболеваниями, как бронхиальная астма, в эпителии дыхательных путей и в пищеводе пациентов с эозинофильным эзофагитом был обнаружен еще один фенотип ТК, экспрессирующий триптазу и карбоксипептидазу А3, но не химазу [29]. Таким образом, очевидно, что при альтерации и различных заболеваниях гетерогенность ТК по содержанию нейтральных протеаз выражена еще более значительно.

Гепарин — системообразующий компонент матрикса гранул тучных клеток

Главной морфологической особенностью ТК является наличие в цитоплазме большого количества базофильных гранул (см. рис. 2), заключающих в себе огромное разнообразие биологически активных веществ — медиаторов. В образовании медиаторов принимают участие рибосомы и канальцы эндоплазматической сети. Сформировавшиеся медиаторы с помощью везикулярного транспорта доставляются в комплекс Гольджи, в котором осуществляются их сортировка, модификация и оформление в секреторные гранулы. Вновь сформированные гранулы, покинув комплекс Гольджи, подвергаются процессу конденсации их содержимого. Для гранул ТК характерно поддержание кислого рН 5,5 ± 0,5 [25, 30, 31]. Гранулы функционально и фенотипически неоднородны в различных популяциях ТК и даже в одной клетке. Медиаторы ТК подразделяют на две группы: преформированные (предварительно сформированные) и синтезируемые de novo. В гранулах ТК всегда содержатся и постоянно обновляются такие преформированные медиаторы, как: биогенные амины — гистамин и серотонин; протеогликаны — серглицин и др.; гликозаминогликаны — гепарин, гепарансульфат, хондроитинсульфат А и С; гликопротеины — белки, содействующие синтезу, укомплектовке и секреции медиаторов, в частности секретогранин ΙΙΙ; синаптотагмины (Syt) — белки, связывающие кальций, участвующие в обмене мембранными компонентами, которые представлены изотипами Syt ΙΙ, ΙΙΙ, V, ΙX. Компонентами гранул являются некоторые ферменты, например β-гексозаминидаза, протеазы (химаза, триптаза и др.), пероксидаза, дегидрогеназа, РНКаза, гистидинкарбоксилаза и др. [ 25].

К другой группе относятся биологически активные вещества, синтезируемые de novo при стимуляции ТК, — это эйкозаноиды, цитокины (про- и противовоспалительные), хемокины, пептидные ростовые факторы, активные формы кислорода и др. Некоторые медиаторы (такие как TNFα) относятся как к преформированным, так и к синтезируемым de novo категориям медиаторам. Как полагают, в отличие от предварительно образованных медиаторов высвобождение синтезированных de novo медиаторов регулируется на уровне транскрипции [25].

Состав и распределение медиаторов секретома ТК подвержены регионарным, видовым и индивидуальным колебаниям, однако всегда обязательными компонентами их гранул являются гепарин, гистамин, нейтральные протеазы и ряд цитокинов. Наличие гепарина в гранулах характерно только для ТК, тогда как в других клетках содержатся прочие гликозаминогликаны [1, 26, 31].

Системообразующим компонентом всех медиаторов в гранулах ТК является гелевый матрикс, бóльшая часть которого образована цепями гепарина (90–95%), соединенными с белково-углеводными молекулами корового (core — сердцевина, стержень) белка серглицина (5–10%) [9, 23].

Молекула гепарина ТК представляет собой высокомолекулярное соединение (природный полимер) — линейный полисахарид с характерными повторяющимися дисахаридными субъединицами, состоящими из α-L-идуроновой кислоты, сульфатированной по 2 углероду (IdoA2S), и N-сульфатированного α-D- глюкозамина, который дополнительно сульфатирован по 6 положению (GlcNS6S). Степень сульфатирования гепарина намного выше, чем остальных членов семейства гликозаминогликанов, что делает гепарин самой заряженной из всех известных биомолекул [5, 25]. Цепи гепарина ковалентно присоединены к остатку серина корового белка с помощью тетрасахаридного фрагмента, состоящего из ксилозы, двух остатков галактозы и остатка глюкуроновой кислоты [8, 32]. Субстратами для биосинтеза гепарина являются глюкоза и неорганический сульфат. Биосинтез гепарина осуществляется вне матрикса, любые дефекты системы ферментов биосинтеза могут приводить к нарушениям структуры матрикса. Ферменты биосинтеза гепарина локализованы в аппарате Гольджи и собраны в единый белковый комплекс, называемый ГАГасомой. Метаболизм гепарина зависит также от фермента, расщепляющего его молекулу, — от гепариназы [7, 10, 32, 33].

Главная роль гелевого матрикса заключается в обеспечении оптимального расположения, хранения и регуляции экспорта синтезированных продуктов. Поскольку гепарин является основным элементом матрикса, локализующего все медиаторы, логично предположить, что он появляется в гранулах ТК одним из первых компонентов еще в эмбриональном периоде. По крайней мере, в работах Z. Li et al. установлено наличие в ТК плода человека метахроматического окрашивания, характерного для гепарина [23]. Соединение медиаторов ТК с гелевым матриксом дает огромное термодинамическое преимущество — способность хранить большие концентрации биологически активных веществ в очень небольшом пространстве в течение длительного времени. Теоретически для такой большой концентрации высокозаряженных медиаторов в замкнутом пространстве, отграниченном мембраной, потребовались бы значительные энергозатраты на осмотические процессы, что создало бы термодинамический дефицит. После активации ТК полимерная гелевая фаза матрикса претерпевает изменение — она набухает, способствуя высвобождению медиаторов секретома. Этот эффективный процесс сохраняется среди живых организмов как эволюционно консервативное решение уже много тысяч лет [25, 26].

Активация тучных клеток

Мембранный фенотип ТК взрослых организмов характеризуется FcεRI + CD13 + CD29 + CD45 + CD117 + + СD123 +, т.е. эти поверхностные маркеры и рецепторы клеток обнаруживаются всегда. Наличие на поверхности ТК высокоаффинных рецепторов к IgE (FcεRI), IgG (FcγRI) и рецепторов для компонентов комплемента C3b и С3d (мукозные ТК лишены CR1) свидетельствует об их участии в реакциях врожденного иммунитета (рис. 3) [26, 27]. Однако FcεRI-сигналинг может запускаться и в отсутствие антигена.

Рис. 3. Пути активации тучных клеток: АФК — активные формы кислорода; ЭПР — эндоплазматический ретикулум; Са2+ — ионы кальция; c-Kit — рецепторы для растворимого фактора роста стволовых клеток (stem cell factor) SCF; TLR — толл-подобные рецепторы (toll-like receptor), распознают структуры клеточных стенок патогенных бактерий Patogen; CD88 — рецепторы для компонентов комплемента C5a; OR — опиоидные рецепторы; PAFR — рецепторы к фактору активации тромбоцитов PAF; HR — рецепторы к гормонам, кортикостероидам; MNC — основной фактор гистосовместимости; TCR — Т-клеточные рецепторы Т-клеток; FcγR — рецепторы к IgG; FcεRI — высокоаффинные рецепторы к IgE

Для ТК характерны также поверхностные маркеры: CD117 (с-Kit) — рецептор для растворимого фактора роста стволовых клеток (SCF) и CD123 — рецептор для IL-3 (см. рис. 3). Оба этих рецептора имеют решающее значение для дифференцировки и созревания ТК [32]. Благодаря наличию на клеточной мембране, помимо молекул МНС I, МНС II, костимулирующих молекул CD86, ТК способны презентировать антигены, особенно при индукции дифференцировки Th2-клеток [24, 27]. Кроме того, на поверхности ТК присутствует множество других рецепторов, играющих важную роль в их активации: сопряженные с G-белком, цитокинами, сфингозин-1-фосфатом (S1P).

Выделение из ТК биологически активных веществ в окружающую среду может запускаться как иммунным, так и неиммунным путем (см. рис. 3). Иммунный запуск начинается с агрегации специфических поверхностных рецепторов FcεRI (высокоаффинного мультимерного иммунного рецептора), происходящий в результате их связывания с несколькими комплексами антиген–IgE, что сближает мембранные рецепторы. При этом передача сигнала через γ-цепи рецептора приводит к увеличению в цитозоле концентрации ионов кальция (Са²⁺). Са²⁺ инициирует все виды экспорта медиаторов, а также синтез новых биологически активных элементов секретома. Следствием этого является инициация каскада сигналов, вызывающих метаболическую активацию ТК, которая завершается выделением, а также генерацией и секрецией вновь образуемых преформированных медиаторов. Экспрессия большого количества рецепторов FcεRI увеличивает содержание гистамина и его выброс [1, 27]. При действии флогогенного и/или патогенного фактора рецепторы класса рецепторов распознавания образов (PRRs), таких как толл-подобные рецепторы (TLRs), NOD-подобные рецепторы (NLRs) и цитоплазматические рецепторы, подобные продукту гена-1 (RIG-1), индуцируемому ретиноевой кислотой (RLRs), расположенные на поверхности ТК, распознают патоген-ассоциированные молекулярные структуры повреждающих факторов (PAMPs) (см. рис. 3). Взаимодействие PRRs и PAMPs обеспечивает активацию ТК и высвобождение селективных медиаторов [1, 32].

Неиммунные пути активации ТК запускаются такими стимулами, как нейропептиды (пептидная субстанция Р и др.), цитокины, факторы роста, токсины, основные факторы комплемента, иммунные комплексы, некоторые лекарственные средства и пищевые продукты, токсины, активные формы кислорода, а также физические стимулы. Показано, что рецепторы многочисленных лигандов, включая аденозин, C3A, иммунные комплексы, хемокины, цитокины, PAMPs, сфингозин-1-фосфат (S1P) и SCF (фактор роста стволовых клеток), участвуют в активации ТК. Эти рецепторы способны потенцировать FсεRI-опосредованную активацию или стимулировать высвобождение медиаторов независимым от FсεRI способом [1, 27, 32]. В частности, на поверхности ТК присутствуют низкоаффинные рецепторы IgG FcyRIII и FcyRIIB. Последний — почти единственный рецептор, оказывающий ингибиторное действие. К ингибирующим рецепторам и биологически активным веществам проявляется повышенное внимание исследователей, поскольку они являются потенциальными терапевтическими мишенями при заболеваниях, включающих чрезмерную активацию ТК. Следует отметить, что ингибиторами выделения медиаторов могут быть гепарин, хондроитин, IL-10, оксид азота, трансформирующий фактор роста-β (TGF-β) и т.д. [33–35].

Механизмы дегрануляции/экзоцитоза

Процесс экспортирования медиаторов при активации ТК разные исследователи называют по-разному: одни называют его регулируемым экзоцитозом [36, 37], другие различают дегрануляцию, экзоцитоз и молекулярный способ [37]. Тем не менее все ученые сходятся во мнении, что существует множество форм секретирования медиаторов во внешнюю среду, которые могут реализовываться как по отдельности, так и одновременно в одной и той же ТК [37, 38]. Понимание регуляции экзоцитоза в ТК осложняется наличием во всех тканях млекопитающих гранул различных субпопуляций, тогда как ТК с полностью однородными гранулами встречаются значительно реже. При активации ТК индуцируются гомо- и гетеротипический процессы слияния мембран, которые зависят от специфического взаимодействия комплекса белков, входящих в состав мембран, механизма, сохраняющегося в эволюции от дрожжей до человека. В процессах везикулярного транспорта участвуют ионы кальция (Са⁺²) и комплекс семейств интегральных мембранных белков: SNARE (soluble NSF attachment protein SNARE — SNAP receptor SNX — Sorting nexins), Munc (аббревиатура от «нескоординированных-18» млекопитающих), NSF (N-этилмалеимид-чувствительный фактор) и VAMP (vesicle-associated membrane protein) [32]. Ранее уже было указано, что большую роль в процессах дегрануляции/экзоцитоза, гранулолизиса и синтеза новых медиаторов в ТК играют ионы кальция. Определено, что при активации ТК Ca²⁺ начинают входить в клетку через кальциевые каналы плазматической мембраны, важными источниками и резервуарами Ca²⁺ являются эндоплазматическая сеть, муциновые гранулы и липидные тельца [32, 34]. Используя флюоресцентные методы и цифровую сканирующую технику, на изолированных ТК и гранулах линейных мышей (CB/J и Bgj/Bgj), I. Questrada et al. (2003) установили, что наиболее важным источником Ca²⁺ и других катионов является полианионная, гепариновая, гелевая матриксная сеть гранул. Этим исследователям удалось показать, что гепариновый матрикс способен функционировать как эффективные ионообменные смолы, контролируя оборот связанных/свободных катионов, таких как Ca²⁺, K⁺ и H⁺, необходимых для процессов дегрануляции/экзоцитоза, гранулолизиса и синтеза медиаторов (рис. 4) [9].

Рис. 4 . Схема динамики H+, К+ и Ca2+ в матриксе секреторных гранул тучных клеток: InsP3-R — рецептор инозитол-1,4,5-трифосфата

Стимуляция ТК прежде всего обусловливает продукцию инозитол-1,4,5-трифосфата (InsP3), являющегося одновременно регулятором Са²⁺-каналов и важнейшим вторичным мессенджером. Важно отметить, что гепарин выступает ингибитором рецепторов InsP3 [7, 8]. Взаимодействуя со своим рецептором, InsP3 индуцирует высвобождение из гепаринового матрикса Ca²⁺ и H⁺, которые перемещаются через соответствующие каналы в цитозоль ТК, что приводит к неизбежному снижению их уровня внутри гранулы (см. рис. 4). Происходит накопление цитозольного Ca²⁺, в результате чего закрывается возможность связи InsP3 с его рецепторами, при этом в просвет везикулы импортируется К⁺, который вновь индуцирует продукцию InsP3, и в грануле снова происходит высвобождение Ca²⁺. Такой колебательный процесс повторяется до тех пор, пока длится активация клетки. При этом свободные Ca²⁺ и H⁺ находятся в равновесии с формами, связанными с гепариновым матриксом. Колебания уровней ионов сопровождаются соответствующими колебаниями трансмембранного градиента pH, которые являются основными факторами, способствующими экспорту, импорту и вытеснению катионов из матрикса гранул [7, 9]. Таким образом, матрикс гранул, основным компонентом которого является полианионная молекула гепарина, функционирует как H⁺/ K⁺- и Ca²⁺/K⁺-ионообменная сеть (см. рис. 4). Кроме того, матрикс гранул ТК работает как гистамин/ K⁺-обменник. Необходимо подчеркнуть, что колебательные процессы, происходящие в гранулах, не являются АТФ-опосредованными. Колебания достигают строго ограниченных доменов, так как буферные свойства цитозоля обеспечивают ограничение колебаний во времени и пространстве, предотвращая нежелательные перекрестные помехи от других рецепторных белков, не участвующих в слиянии мембран. Кратковременные локальные всплески Ca²⁺ обеспечивают экономичный механизм передачи сигналов [9].

Преэкзоцитарные колебания Ca²⁺ и H⁺ в узкой щели, существующей между двумя готовыми к слиянию мембранами, могут создавать множественные уникальные условия, настроенные на конкретную оптимальную Ca²⁺/ рН- зависимость различных экзоцитарных белков, запуская их индивидуальные фузогенные свойства в хорошо запрограммированной последовательности. Несколько белков, вовлеченных в экзоцитоз, — кальмодулин, синколлин, протеинкиназа C, аннексины — проявляют высокую чувствительность к изменениям уровня Ca²⁺ и pH [9]. Назначение комбинации Ca²⁺ и H⁺ в передаче сигналов может представлять собой уникальную модель с логическим типом передачи сигналов типа «включить/ выключить» («да/нет»), посредством которой компоненты гранулы могут быть нацелены на конкретную группу сенсорных/эффекторных белков, участвующих в осуществлении экзоцитоза [9].

Механизмы действия эндо- и экзогенного гепарина

Гепарин, высвобождающийся при активации ТК, способен действовать как гомеостатический механизм, ограничивающий меру развития воспаления. В настоящее время показано, что гепарин, связываясь со многими белками, вовлеченными в различные стадии воспалительного каскада, может ингибировать рекрутирование провоспалительных клеток, адгезию нейтрофилов к эндотелиальным клеткам сосудов. Это является следствием того, что многие молекулы адгезии, участвующие в этом каскаде, имеют в своей структуре гепарин-связывающие домены. После комплексообразования гепарин ингибирует молекулу адгезии, распознавая ее контрлиганд, и таким образом предотвращает физиологическую функцию этой молекулы. Связывая катионные молекулы, гепарин эффективно нейтрализует их способность вызывать повреждение тканей [7, 14, 15].

Выделившийся из активированных ТК несвязанный гепарин обладает не очень высокой антикоагулянтной активностью — 31 Е/мг, тогда как при образовании комплексов с протеазами (химазой или триптазой) антикоагулянтная активность резко возрастает и составляет 137–273 Е/мг, что играет важную роль в регуляции свертывания крови [39]. Это свойство имеет особое значение, так как при дегрануляции/экзоцитозе ТК в окружающих тканях накапливается фибриноген, являющийся основным компонентом отечной жидкости, этот белок расщепляется гепариновым комплексом еще до превращения в фибрин. Таким образом, гепарин и его комплексы проявляют фибринолитическую и антикоагулянтную активность, находясь еще вне сосудов [39]. Как известно, ферменты ТК с трипсиноподобной активностью (химаза и триптаз) являются важной мишенью для лечения аллергических и других воспалительных заболеваний. Недавно было доказано, что гепарин может оказывать не только активирующее, но и стабилизирующее влияние на активность протеаз [7].

Однако пул гепарина в ТК достаточно быстро расходуется, в частности, при длительных стрессорных воздействиях. Таким образом можно предположить, что гепариновый матрикс теряет эффективность своей регуляторной, системообразующей деятельности и это является причиной неконтролируемого выхода провоспалительных медиаторов, индуцирующих патологический процесс. Поэтому неудивительно, что экзогенно введенный высокомолекулярный гепарин, содействуя восстановлению пула гепарина в ТК, обладает широким разнообразием эффектов и служит инструментом нормализации всех систем организма, как было показано в экспериментальных работах по моделированию посттравматического стрессового расстройства [8, 17, 18]. Следует отметить, что первоначально посттравматическое стрессовое расстройство рассматривалось как исключительно психическое расстройство — диагноз этого заболевания был впервые представлен в 3-м издании Диагностического и статистического руководства (DSM) Американской психиатрической ассоциации в 1980 г. Однако вскоре выяснилось, что при этом диагностируются такие соматические заболевания, как желудочно-кишечные и гепатобилиарные расстройства, гипертония, сердечно-сосудистые и др. [40].

Так же, как и у людей, при развитии признаков посттравматического стрессового расстройства у крыс выявлено стремительное снижение уровня кортикостерона, связанное с инактивацией гипоталамо-гипофизарно-адреналовой системы, объясняющееся развитием патологической быстрой отрицательной обратной связи, характеризующейся форсированным торможением выброса глюкокортикоидов и ингибированием секреции этих гормонов [8, 17, 18]. Гормональные изменения способствовали развитию жировой дистрофии печени, сопровождавшейся повышением в крови активности трансаминаз – аланинаминотрансферазы (АЛТ) и аспартатаминотрансферазы (АСТ). В печени стрессированных животных с признаками развития посттравматического стрессового расстройства значительно увеличивались число, плотность распределения и размеры ТК, в которых гораздо чаще отмечались явления дегрануляции [17].

В то же время морфометрические и биохимические показатели функционального состояния печени и гепатоцитов, а также ТК животных, которым вводили высокомолекулярный гепарин, статистически значимо не отличались от группы контроля. Все регистрируемые у этих крыс гормональные, поведенческие и психоэмоциональные показатели свидетельствовали об отсутствии характерных для посттравматического стрессового расстройства признаков тревожности/депрессии [17, 18].

Несмотря на довольно быструю элиминацию высокомолекулярного гепарина из циркулирующей крови, достаточная длительность действия этого полиэлектролита обусловлена его способностью образовывать комплексные структуры с сигнальными молекулами [4, 14]. Можно предположить, что высокомолекулярный гепарин, обладающий возможностью проходить через гематоэнцефалический барьер и воздействовать на нейромедиаторные процессы в мозге, способствовал перестройке нарушенных регуляторных механизмов гипоталамо-гипофизарно-адреналовой системы, что создало условия восстановления уровня кортикостерона [14, 15]. Таким образом, в экспериментальных работах было установлено, что высокомолекулярный гепарин, вводимый в малых дозах при моделировании посттравматического стрессового расстройства, обладает антистрессорным, седативным и противовоспалительным эффектами [17, 18].

Опасное вирусное заболевание, возникшее в 2019 г. и названное COVID-19, которое провоцируется вирусом SARS-CoV-2 из семейства коронавирусов, заставило клиницистов и исследователей по-новому взглянуть на препараты гепарина (высоко- и низкомолекулярного). В отличие от всех других респираторных вирусных заболеваний, вирус SARS-CoV-2 индуцирует коагулопатию, отягощающую воспалительные процессы и провоцирующую «цитокиновый шторм» [41]. В связи с этим врачам пришлось применять гепарин по его основному назначению — как антикоагулянт. Одновременно в экспериментальной медицине начались экстренные детальные исследования механизмов действия высокомолекулярного и низкомолекулярного гепарина при COVID-19, появилось много публикаций, освещающих свойства этих препаратов, далеко выходящие за рамки антикоагулянтной активности. В период пандемии, объявленной в связи с распространением COVID-19 по всему миру, было установлено, что гепарин противодействует проникновению вируса в клетки хозяина, препятствует разрушительному действию вируса на эндотелий кровеносных сосудов и эпителий дыхательных путей, проявляет противовоспалительные свойства, в том числе подавляя «цитокиновый шторм». Отмечено, что более выраженными эффектами обладает высокомолекулярный, чем низкомолекулярный гепарин. Оба препарата спасли многие тысячи жизней, при этом негативные побочные эффекты развивались достаточно редко [41–44].

Пандемия COVID-19 (2019–2021 гг.) сравнима с крупномасштабным бедствием, поскольку, как и во многих подобных случаях, имеется масса негативных последствий социально-политического, экономического, социально-психологического и ситуационного характера. От населения требовалось радикально изменить свой образ жизни: подвергнуться социальной изоляции на длительный период, перестроить режим и условия работы, непрерывно соблюдать повышенную бдительность в отношении исполнения правил профилактической медицины и многое другое. Все это обусловило появление уже в 2020 г. многочисленных данных, свидетельствующих о том, что во многих странах значительно повысилась частота развития симптомов выраженного стресса и уже сформировавшегося посттравматического стрессового расстройства как у переболевших, так и у непереболевших людей, особенно у медицинского персонала. Важно отметить, что медикаментозное вмешательство на ранней стадии заболеваний обычно снижает их прогрессирование [45, 46]. Полученные в указанных выше экспериментах результаты могут послужить обоснованием для расширения клинического применения гепарина при остром стрессе и посттравматическом стрессовом расстройстве [17, 18]. В случаях отсутствия угрозы тромботических осложнений применение гепарина в малых дозах, не вызывающих гепарин-индуцированную тромбоцитопению, может обеспечить предупреждение и лечение психосоматических патологий, обусловленных различными причинами.

Заключение

Тучные клетки — это очень широко распространенная в организме животных и человека популяция долгоживущих клеток, участвующих в широком разнообразии физиологических и патологических процессов. Реакция тучных клеток на внутренние и внешние воздействия сопровождается высвобождением из гранул специфических для каждой ситуации биологически активных веществ (медиаторов). Многие свойства тучных клеток связаны с неординарностью молекулы одного из медиаторов — гепарина, присущего только тучным клеткам, который характеризуется выраженной способностью образовывать комплексные соединения со многими веществами, изменяя их свойства. В гранулах тучных клеток гепарин входит в состав гелевого матрикса, являющегося системообразующим компонентом всех остальных медиаторов

Опасное вирусное заболевание, возникшее в 2019 г. и названное COVID-19, способствовало стремительному изучению характеристик гепарина, далеко выходящих за антикоагулянтные свойства. Сведения, полученные в экспериментальных и клинических исследованиях, позволяют рассматривать гепарин как перспективный полифункциональный препарат для эффективной фармакологической коррекции и предупреждения заболеваний, обусловленных различными причинами.

Дополнительная информация

Источник финансирования. Работа выполнена в рамках государственного задания ФГБНУ «НИИ морфологии человека» АААА-А19-119021490067-4.

Конфликт интересов. Автор подтверждает отсутствие конфликта интересов, связанных с публикацией настоящей статьи, о которых необходимо сообщить.

Выражение признательности. Автор выражает искреннюю признательность всем членам дружного коллектива лаборатории иммуноморфологии воспаления ФГБНУ «НИИ морфологии человека», которые своей доброжелательностью придают уверенность в собственных силах. Благодарю за то, что на вашу помощь можно всегда рассчитывать.

About the authors

Marina V. Kondashevskaya

Author for correspondence.
Email: aktual_probl@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1302-8446
SPIN-code: 4421-5225

MD, PhD, assistant professor, Leading Researcher, lab. immunomorphology of inflammation “Research Institute of Human Morphology”

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Scheme of the origin of mast cells according to Z. Li et al. (2018): 1-3 - HSC - stem cells of the main embryonic periods: 1 - erythro-myeloid, 2 - hepatic, 3 - bone marrow; MCP - committed precursors of mast cells; integrin β7, T1 / ST2 and FεcRI are mast cell markers of the corresponding embryonic periods.

Download (186KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Metachromatic staining of mast cells in the connective tissue surrounding the liver blood vessels of a sexually mature male Wistar rat (normal). Toluidine blue staining pH 2. × 680

Download (329KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Ways of activation of mast cells: ROS - reactive oxygen species; EPR - endoplasmic reticulum; Ca2 + - calcium ions; c-Kit - receptors for the soluble stem cell factor SCF; TLR - toll-like receptor, recognize the structures of the cell walls of pathogenic bacteria Patogen; CD88 - receptors for complement components C5a; OR - opioid receptors; PAFR - receptors for the platelet activation factor PAF; HR - receptors for hormones, corticosteroids; MNC is the main factor of histocompatibility; TCR, T cell receptors for T cells; FcγR - IgG receptors; FcεRI - high affinity IgE receptors

Download (253KB)

Indexing metadata

5. Fig. four . Scheme of the dynamics of H +, K + and Ca2 + in the matrix of secretory granules of mast cells: InsP3-R - inositol-1,4,5-triphosphate receptor

Download (165KB)

Indexing metadata