Эффекты цитокинов при воспалении

Вы когда-нибудь слышали о цитокинах? Термин «цитокин» происходит от комбинации двух греческих слов: «цито» означает клетку и «кинос» означает движение. Противовоспалительные цитокины играют важную роль как в здоровье, так и в болезнях, особенно когда речь идет о воспалительных состояниях, аутоиммунных заболеваниях, хронических и острых инфекциях, травмах, проблемах с зачатием и беременностью, и даже раком (1).

Согласно одной научной статье, которая подчеркивает роль цитокинов в здоровье женщин, включая преждевременные роды и эндометриоз, «прогресс в понимании биологии цитокинов привел к пониманию важности цитокинов во всех областях медицины» (2).

Так что же такое цитокины? Они представляют собой категорию небольших белков, которые обеспечивают связь между клетками. Существует несколько семейств цитокинов, которые вырабатываются по-разному, ведут себя по-разному и имеют разную активность в организме.

С другой стороны, противовоспалительные цитокины могут помочь нам бороться с инфекциями и оказывать положительное влияние на нашу иммунную систему и воспаление. Однако, когда некоторые цитокины не ведут себя идеально или перепроизводятся, это может привести к заболеванию.

Может быть трудно объяснить цитокины без чрезмерного научного языка, но лучше понимая эти мощные молекулы, мы можем улучшить или даже предотвратить некоторые очень распространенные, но серьезные проблемы со здоровьем, включая артрит, рак и многое другое.

Что такое цитокины

Простое определение цитокинов: группа белков, созданных иммунной системой, которые действуют как химические мессенджеры. Цитокины представляют собой белки, пептиды или гликопротеины, секретируемые лимфоцитами и моноцитами, которые регулируют иммунные ответы, гемопоэз и развитие лимфоцитов (3).

Эти мелкие белки действуют как посредники между клетками, и занимаются передачей жизненно важной информации, которая влияет на многие вещи в организме, начиная от эмбрионального развития до модуляции структуры кости и поддержания гомеостаза (4). Цитокины, вероятно, наиболее известны своей ключевой ролью в качестве медиаторов и регуляторов воспалительных реакций. Они на самом деле способны стимулировать движение клеток к участкам инфекции, травм и воспалений.

Цитокины секретируются другими типами клеток в высоких концентрациях и могут влиять либо на клетку происхождения (аутокринное действие), на ближайшие к ним клетки (паракринное действие) или на отдаленные клетки (эндокринное или системное действие) (5). Как правило, цитокины могут действовать синергически (работая вместе) или антагонистически (действуя в оппозиции). Существует несколько различных групп или семейств цитокинов, которые структурно сходны, но имеют разнообразный спектр функций.

Классификация цитокинов 

Выделяют несколько подкатегорий цитокинов, которые включают как провоспалительные, так и противовоспалительные цитокины.

Провоспалительные цитокины в основном продуцируются активированными макрофагами и участвуют в активизации воспалительных реакций.

Научные данные связывают эти провоспалительные белки с различными заболеваниями, а также с процессом патологической боли. Между тем, противовоспалительные цитокины являются молекулами, которые помогают регулировать иммунную систему и контролировать провоспалительный ответ цитокинов (6).

Согласно классификации цитокинов, существуют следующие основные семейства цитокинов и их ключевые характеристики или действия: (7, 8)

• Хемокины: прямая миграция клеток, адгезия и активация
• Интерфероны: противовирусные белки
• Интерлейкины: разнообразие действий, зависящих от типа клеток интерлейкина
• Монокины: мощные молекулы, вырабатываемые моноцитами и макрофагами, которые помогают направлять и регулировать иммунные реакции
• Лимфокины. Белковые медиаторы, как правило, вырабатываются лимфоцитами (лейкоцитами) для направления реакции иммунной системы путем передачи сигналов между ее клетками.
• Фактор некроза опухоли: регулирует воспалительные и иммунные реакции

Есть также эритропоэтин, также называемый гемопоэтин, который является цитокиновым гормоном, который регулирует выработку эритроцитов (эритроцитов).

Свойства цитокинов

1. Регулирование иммунной системы

Цитокины играют очень важную роль в нашем иммунном ответе. Двумя основными продуцентами цитокинов являются Т-хелперные клетки и макрофаги. Что это такое? Т-хелперные клетки помогают другим клеткам в иммунном ответе, распознавая чужеродные антигены и секретируя цитокины, которые затем активируют Т и В-клетки. Макрофаги окружают и убивают микроорганизмы, поглощают инородный материал, удаляют мертвые клетки и усиливают иммунные реакции.

Воздействуя на клетки иммунной системы и взаимодействуя с ними, цитокины способны регулировать реакцию организма на болезни и инфекции. Цитокины влияют как на наши врожденные, так и на адаптивные иммунные реакции (9). Оптимальное производство и поведение наших цитокинов является ключом к здоровью нашей иммунной системы.

В одной научной статье, опубликованной в 2014 году, рассматривалось влияние цитокинов, таких как интерфероны (INF) и интерлейкины (IL), на микобактериальные инфекции, в частности, туберкулез. Исследователи приходят к выводу: «В целом семейство цитокинов IFN, по-видимому, является критическим для исхода микобактериальной инфекции» и играет важную роль в сдерживании роста бактерий (10).

3. Уменьшение боли при артрите

Поскольку цитокины регулируют различные воспалительные реакции, неудивительно, что исследования показывают, какую важную роль играют эти белки в артрите, воспалительном заболевании суставов. Как упоминалось ранее, перепроизводство или неправильное производство определенных цитокинов организмом может привести к заболеванию.

Согласно опубликованной в 2014 году научной статье под названием «Роль воспалительных и противовоспалительных цитокинов в патогенезе остеоартрита», интерлейкин-1-бета и фактор некроза опухолей-альфа, как полагают, являются основными воспалительными цитокинами, вовлеченными в остеоартрит (ОА). В то время как интерлейкин-15 связан с патогенезом ревматоидного артрита (РА) (11).

Хотя очевидно, что провоспалительные цитокины находятся на повышенных уровнях у пациентов с артритом, их противовоспалительные варианты также были обнаружены в синовиальной оболочке и в синовиальной жидкости пациентов с РА. На сегодняшний день научные исследования на животных моделях продемонстрировали способность противовоспалительных цитокинов уменьшать боль, возникающую в результате артрита. Однако они не препятствуют повреждению суставов. Клинические испытания на людях продолжаются, и мы надеемся, что в скором времени появятся некоторые полезные результаты для больных артритом (12).

4. Уменьшение воспаления

Противовоспалительные цитокины известны своей способностью уменьшать воспаление в организме. А мы знаем, что воспаление является причиной большинства заболеваний (13). Согласно научной статье под названием «Цитокины, воспаление и боль», которая была опубликована в журнале  International Anesthesiology Clinics, из всех противовоспалительных цитокинов интерлейкин 10 (IL-10) обладает одними из самых сильных воспалительных свойств и способен подавлять экспрессию провоспалительных цитокинов, таких как интерлейкин 6 (IL-6), интерлейкин 1 (IL-1) и фактор некроза опухоли альфа (TNF-α).

IL-10 также способен подавлять провоспалительные рецепторы цитокинов, поэтому он способен снижать продукцию, а также функцию молекул провоспалительных цитокинов на нескольких уровнях. Согласно этой статье, введение белка IL-10 продемонстрировало облегчение боли в разнообразных состояниях,  таких как периферический неврит, экситотоксическое повреждение спинного мозга и повреждение периферического нерва.

Кроме того, недавние клинические исследования показывают, что низкие уровни в крови IL-10 и интерлейкина 4 (также противовоспалительного цитокина) могут быть важными факторами, когда речь идет о хронической боли. Потому что было обнаружено, что пациенты, борющиеся с хронической широко распространенной болью, имеют низкие концентрации из этих двух цитокинов (14).

4. Противоопухолевая активность 

Определенные цитокины в настоящее время используются в иммунотерапии рака, включая лечение лейкемии, лимфомы, меланомы, рака мочевого пузыря и рака почек. Наш организм естественным образом вырабатывает цитокины. Но когда они используются для естественного лечения рака, эти белки создаются в лаборатории, а затем вводятся в больших дозах, чем организм обычно делает самостоятельно.

По данным Национального института рака, интерлейкин-2 был первым цитокином, который оказал терапевтическое действие при раке. В 1976 году Роберт Галло, доктор медицины и Фрэнсис Рускетти, доктор философи, продемонстрировали, что этот цитокин может «значительно стимулировать рост Т-клеток и естественных киллеров, которые являются неотъемлемой частью иммунного ответа человека».

Спустя почти 10 лет другая группа исследователей во главе со Стивеном Розенбергом, доктором медицинских наук, как сообщается, успешно вылечила нескольких пациентов с распространенным метастатическим почечно-клеточным раком (тип почечного рака) и меланомой, дав им интерлейкин-2. Интерлейкин-2 стал первой противораковой иммунотерапией, одобренной FDA в США. На сегодняшний день он все еще используется для лечения метастатической меланомы и рака почки (15).

Побочные эффекты интерлейкина-2 могут включать озноб, лихорадку, усталость, увеличение веса, тошноту, рвоту, диарею и низкое кровяное давление. Редко, но наблюдаются также нарушение сердечного ритма, боль в груди и другие проблемы с сердцем. Другие интерлейкины продолжают изучаться как возможное лечение рака (16).

Как обеспечить здоровый баланс цитокинов

Цитокины являются важной темой научных исследований, которые продолжаются и по сей день. Но до сих пор считается, что здоровая диета, богатая полезными питательными веществами, физические упражнения и снижение стресса, могут помочь в поддержании здорового баланса цитокинов в организме.

Предполагается, что состояние цитокинов зависит от состояния питания. Хронический дефицит питательных веществ отрицательно влияет на наш иммунный ответ, который включает снижение выработки и активности цитокинов (17). Таким образом, употребление в пищу цельных и противовоспалительных продуктов является ключевым способом повышения статуса цитокинов в нашем организме.

Исследования in vitro также показали, что экстракт корицы повышает уровень интерлейкина-10, одновременно подавляя провоспалительные цитокины на экспериментальных моделях индуцированного воспалительного заболевания кишечника (18).

Одним из растительных продуктов, уменьшающих провоспалительные цитокины является конопляное масло. Подробнее о полезных свойствах конопляного масла читайте на нашем сайте.

Есть также продукты, которые нужно избегать. В первую очередь, это:

• рафинированный сахар
• молочные продукты.

Как указывает Фонд Артрита США, исследования показали, что обработанные сахара вызывают выброс воспалительных цитокинов (19).

В исследовании, опубликованном в Journal of Physiology, изучалось влияние длительных физических нагрузок на провоспалительные и противовоспалительные цитокины. Исследователи обнаружили, что в то время как физические упражнения увеличивали некоторые провоспалительные цитокины, уровни противовоспалительного интерлейкина-10 в плазме показали 27-кратное увеличение сразу после физической нагрузки, и ингибиторы цитокинов также высвобождались. Таким образом, в целом, исследование предполагает, что физические упражнения могут увеличить противовоспалительные цитокины, которые помогают уменьшить воспалительный ответ, который может возникнуть в результате длительной напряженной деятельности (20).

Исследования показали, что вначале стресс может вызывать подавление воспалительных цитокинов и активацию противовоспалительных цитокинов. Однако длительный хронический стресс дополнительно увеличивает провоспалительные цитокины, которые затем приводят к воспалительным реакциям и в конечном итоге могут вызывать различные заболевания (21). Так что это еще одна причина ежедневно практиковать медитации, горячий или контрастный душ как естественные способы снятия стресса.

Ключевые моменты о цитокинах

• Цитокины — группа белков, созданных иммунной системой, которые действуют как химические мессенджеры.
• Существует несколько семейств этих сигнальных белков, включая воспалительные или противовоспалительные цитокины.
• Они особенно важны для иммунной функции и воспалительных реакций.
• Исследования цитокинов продолжаются, но пока что текущие или потенциальные преимущества включают в себя: усиление иммунной системы, обезболивание артрита, уменьшение воспаления и роста опухолей.

Способы стимулирования здоровой функции и баланса цитокинов включают здоровую диету, основанную на цельных продуктах, которые содержат противовоспалительные компоненты и исключает воспалительные продукты, такие как сахар и молоко. Снижение стресса, в том числе регулярные физические упражнения, также могут способствовать оптимальному статусу цитокинов.

Рассматривая участие цитокинов в реализации системных реакций организма и иммунном ответе, необходимо отметить, что наиболее существенным и закономерным является участие цитокинов в реализации процессов кроветворения, воспаления, врожденного и адаптивного иммунного ответа.

Принципы цитокиновой регуляции процессов кроветворения(показаны на рис. 50) можно сформулировать следующим образом:

· Каждый этап созревания клеток находится под контролем нескольких факторов, среди которых обычно есть основной фактор и кофакторы.

По вертикали – по мере созревания кроветворных клеток происходит смена доминирующих факторов в последовательности: ИЛ-3 и фактор стволовых клеток (для стволовых клеток и недифференцированных предшественников), ГМ-КСФ (для юных миелоидных клеток) и ИЛ-7 (для недифференцированных лимфоидных клеток).

· Начальные факторы полностью не утрачивают своего действия на более зрелые представители кроветворных рядов, выступая в роли кофакто-

ров линейно-специфических цитокинов. Последние, как правило, действуют и на зрелые клетки соответствующих рядов при условии активации этих клеток.

· Действие цитокинов на кроветворные клетки заключается преимущественно в поддержании их выживания путем блокады программы апоптоза и в меньшей степени — в обеспечении пролиферации клеток.

Цитокинам принадлежит ключевая роль в развитии воспалительной реакции – основной защитной реакции врожденного иммунитета. Запуск этой реакции в значительной степени связан с включением продукции цитокинов макрофагами и другими локальными клеточными элементами врожденного иммунитета, в том числе и с активацией клеток эндотелия.

Дальнейшее развитие и самоподдержание местной воспалительной реакции обусловлены вызванной цитокинами миграцией из крови лейкоцитов, их активацией и продукцией цитокинов. Цитокины служат медиаторами всех трех основных типов тканевых процессов при воспалении – экссудации, альтерации и пролиферации. Цитокины участвуют также в развитии системных проявлений воспалительной реакции.

Ключевая роль в реализации воспалительной реакции и в целом –

реакций первой, врожденной линии иммунной защиты – принадлежит цитокинам, выделяемым активированными макрофагами и моноцитами. Среди них выделяют провоспалительные цитокины – три тесно взаимосвязанных по своим функциям и эффектам цитокина: ИЛ-1, ИЛ-6 и TNF-α. Основные сведения о вкладе этих цитокинов в развитие воспаления и связанных с ним процессов представлены в табл. 18.

ИЛ-1,

ИЛ-6, Г-КСФ,

ИЛ-11

ГМ-КСФ, ИЛ-3,

ИЛ-3,1,4, ИЛ-7, 5

ИЛ-5,6,11

ГМ-КСФ

М-КСФ,

ИЛ-3,4,6

ИЛ-5

ГМ-КСФ

ИЛ- 7,3,5 ИЛ- 7,2,4

ГМ-КСФ, ИЛ-3,10

Г-КСФ

ИЛ-2,4 ГМ-КСФ ГМ-, Г-КСФ,ИЛ-12,

М-КСФ, ФНО- ИЛ-10 IFN-

-хемокины

Рисунок 50. Цитокиновый контроль процессов гемопоэза

Таблица 18.Вклад цитокинов в развитие воспаления

Являясь продуктами клеток иммунной системы, цитокины играют важную, ключевую роль во врожденном и адаптивном иммунном ответе:

· Цитокины способствуют распознаванию антигенов, увеличивая экспрессию молекул МНС, которые их презентируют Т-лимфоцитам. Экспрессия молекул МНС повышается под влиянием интерферонов, причем IFN-γ проявляет это действие особенно сильно и стимулирует экспрессию молекул МНС как I, так и II класса.

· Цитокины способствуют экспрессии на клетках иммунной системы молекул адгезии, отвественных за межклеточные взаимодействия. К этому причастны, в первую очередь, ИЛ-1 и 6, TNF-α и интерфероны.

· Некоторые цитокины влияют на миграцию иммунокомпетентных клеток. Например, миграцию дендритных клеток стимулирует ГМ-КСФ и

TNF-α. Хемотаксис макрофагов и лимфоцитов стимулируют разные цитокины (в частности, ИЛ-1, ИЛ-8), а особенно β-хемокины.

· Большое число цитокинов способны активировать моноциты и макрофаги. Это все те цитокины, которые участвуют в развитии воспалительной реакции: ИЛ-1, TNF -α, ИЛ-6, ГМ-КСФ, Г-КСФ, М-КСФ, хемокины. Наиболее мощным активатором макрофагов является IFN-γ.

· Цитокины сами по себе не способны вызвать активацию лимфоцитов (исключение составляют ИЛ-2 и ИЛ-4, которые активируют соответственно

Т- и В-лимфоциты). Они являются кофакторами в процессе распознавания антигенов при активации и последующей пролиферации лимфоцитов.

· Цитокины обусловливают дифференцировку цитотоксических NK-клеток и CD8+ ЦТЛ (IFN-γ, ИЛ-2 и ИЛ-12). Они определяют также дифференцировку Т-хелперов на субпопуляции Тх1 и Тх2. Дифференцировка в сторону образования Тх1 поддерживается ИЛ-12 и IFN-γ, а дифференцировка в сторону образования Тх2 поддерживается ИЛ-4 и TGF-β. Дифференцировочное действие цитокинов в отношении В-лимфоцитов проявляется, главным образом, в переключении синтеза классов иммуноглобулинов.

· Выполнение эффекторных иммунологических функций также обусловлено и активностью цитокинов. Значительный вклад в осуществление цитотоксического эффекта Т- и NK-клеток вносят выделяемые ими цитокины (TNF-α и β, IFN-γ), обладающие способностью вызывать некроз и апоптоз чужеродных клеток-мишеней.

Таким образом, значение цитокинов является определяющим в индуктивной фазе как врожденного, так и адаптивного иммунного ответа, когда они обусловливают развитие воспаления, способствуют активации макрофагов, дендритных клеток, а затем стимулируют взаимодействие этих клеток с лимфоцитами, активацию и пролиферацию последних, а также формирование эффекторных лимфоцитов.