THE ROLE OF BIFIDOBACTERIA IN THE FORMATION OF HUMAN IMMUNE HOMEOSTASIS

Full Text

Известно, что микробиом человека играет важную роль в поддержании гомеостаза (здоровья) человека [14, 17], но к сожалению, роль микробного фактора как регулятора здоровья и реализации функционирования висцеральных систем хозяина еще далека от своего разрешения. Оценивая инфекционный процесс как результат паразит-хозяинных отношений мы рассматриваем его в качестве модели, описывающей такое природное явление как ассоциативный симбиоз [1]. Такой подход создает методологическую платформу для решения вопроса о синергидных и антагонистических механизмах взаимодействия про- и эукариот, расширяя патогенетические представления в области инфектологии, определяет перспективы развития нового направления, возникшего на стыке биологии и медицины, инфекционной симбиологии. Несмотря на разнообразие биотопов организма, есть общие моменты, заслуживающие внимания. Для каждого биотопа существует свой ключевой (основной) вид (виды) нормофлоры, обладающей универсальным набором характеристик микробного антагонизма в защите этого биотопа. Для кишечной автохтонной микрофлоры важны бифидобактерии, лактобациллы, типичные эшерихии, для женского репродуктивного тракта - лактобациллы, для полости носа - стафилококки и коринеформные бактерии, для зева - стрептококки. Формирование индигенной микрофлоры в биотопе также во многом зависит от его морфофункциональных особенностей и степени защищенности от патогенов различными природными субстратами (лизоцим, интерферон, карнозин, лактоферрин и др.) хозяина. Ключевая функция доминантных микроорганизмов, в частности бифидофлоры в кишечном биотопе хозяина, как показали наши исследования [3], определяется наведением порядка в доме за счет поддержания своих микроорганизмов и выраженного антагонизма в отношении чужих. Реализация этого принципа в межмикробных отношениях позволила разработать алгоритм микробного распознавания свой-чужой в микросимбиоценозе кишечника человека на основе экспериментально выявленного оппозитного феномена (усиление/подавление) важнейших физиологических функций (размножение и адаптация) выживания микросимбионтов пары доминант-ассоциант [2]. Не исключено, что эта первичная дискриминация чужеродного материала бифидофлорой - инициальный этап последующего «сигналинга» в регуляции иммунных механизмов гомеостаза хозяина. На следующем этапе взаимодействия - хозяин-ассоциант роль факторов врожденной защиты организма резко повышается при включении в ассоциативный симбиоз микроорганизмов-ассоциантов, что приводит к различным исходам инфекции. Это во многом зависит от патогенного потенциала ассоциантов - патогенассоциированных молекулярных паттернов (ПАМП), их способности преодолевать распознающие механизмы врожденного иммунитета хозяина - паттернраспознающие рецепторы (ПРР), определяющие стереотипные и консервативные в эволюции молекулы, присущие большим группам микроорганизмов. Эти механизмы врожденного иммунитета как рекогносцировочные, так и эффекторные хорошо описаны [6]. При этом, несмотря на очевидную связь врожденного иммунитета с микросимбионтами, остается ряд не выясненных вопросов, в частности, каким образом осуществляется физиологическая цепь «сигналинга» от ключевых видов бактерий к иммунным клеткам и какова роль доминантных микроорганизмов (представителей нормофлоры) в регуляции иммунного гомеостаза? В связи с этим, несомненный интерес представляет изучение механизмов взаимодействия микросимбионтов с дендритными клетками (ДК) человека, поскольку именно они являются важнейшими клетками иммунной системы, способными интегрировать различные сигналы, формируя прямые иммуногенные или толерогенные ответы. Имеются указания, что ДК являются «point of contact» (точкой контакта) клеток иммунной системы и кишечной микробиоты, опосредующей поддержание сбалансированного мукозального и системного иммунных ответов [26]. Известно, что дендритные клетки также называют «воротами иммунитета» и мобильными «стражами» [7], являющимися связующим звеном врожденного и адаптивного иммунитета, обеспечивающими хрупкий баланс кишечного гомеостаза, защиту от инфекции и формирование толерантности [9, 24, 29]. Установлено, что ДК - это гетерогенная популяция антигенпрезентирующих клеток (АПК) костномозгового происхождения, которые относят к факторам врожденного иммунитета, поскольку они, в отличие от Т- и В-лимфоцитов, не несут рецепторов, ответственных за специфическое распознавание. В то же время, дендритные клетки играют важную роль в развитии реакций адаптивного иммунитета, поскольку это - единственные клетки, обеспечивающие презентацию антигена (АГ) в лимфоидных органах путем инициации процессов генерации антигенспецифических клонов Т-лимфоцитов [5, 28]. Известна высокая антигенпрезентирующая способность ДК, с чем связывают их эффективное представление различных антигенов. Высокое содержание комплексов МНС-АГ (в 10 - 100 раз больше, чем на других АПК) позволяют одной ДК презентировать АГ одновременно большому количеству Т-лимфоцитов (до 300 - 1000 клеток). Таким образом, малое количество ДК в организме не пропорционально их эффекту влияния на адаптивный иммунитет [30]. Кроме того, у дендритных клеток более высокий уровень экспрессии молекул адгезии и костимуляции, чем у других АПК, и в зависимости от условий ДК могут секретировать различные цитокины. Все эти особенности делают ДК в 100 - 1000 раз более активными, по сравнению с макрофагами и В-лимфоцитами, в процессах иммунного реагирования на чужеродные АГ (в том числе микробиоту), что свидетельствует о значимости дендритных клеток в процессах иммунорегуляции при взаимодействии с многочисленным и разнообразным по видовому составу микробиомом организма человека. В результате взаимодействия ДК с ПАМП микроорганизмов осуществляется не только презентация АГ наивным Т-клеткам и дифференцировка их в АГ-специфический клон с инициацией Т-клеточного ответа, но и поддержание баланса между Т-хелперами 1 (Th1) и 2 (Th2) типов. Кроме того, ДК способны стимулировать продукцию антител у покоящихся В-клеток, а в определенных условиях «переключать» изотип иммуноглобулинов. Также дендритные клетки способны регулировать процессы индукции центральной и периферической толерантности к ауто-АГ и микросимбионтам [24]. Более того, сами ДК продуцируют про- и противовоспалительные цитокины, участвующие как в дифферен-цировке самих ДК, так и в привлечении Т-клеток в область воспаления [11, 15]. Пластичность дендритных клеток при активации адаптивных реакций иммунитета, в том числе и на слизистой кишечника, связана с тем, что они определяют тип предстоящего Т-хелперного ответа (Th1, Th2, Th3 и др.), оптимального в отношении конкретного антигена. При необходимости формируется толерантность к антигену посредством диф-ференцировки Т-регуляторных клеток (Treg). Сопутствующие факторы микросреды кишечника, например ретиноевые кислоты, цитокин TGF-в (трансформирующий фактор роста в), оказывают влияние на функции ДК [12, 22]. Другие кофакторы, в том числе интерфероны 1 типа (IFN), IL-10 и IL-12 также могут способствовать поляризации ответа Т-лимфоцитов на конкретный АГ [32]. Направленность дифференцировки CD4+^ клеток определяют и цитокины IL-12 и IL-10, секретируемые самими ДК. TGF-p, IL-10 инициируют экспрессию гена семейства FOX (forkead box), кодирующего транскрипционный фактор FoxP3 регуляторных Т-клеток, что совместно с IL-6 способствует генерации IL-17 продуцирующих клеток, участвующих в защите от бактерий и грибов [10]. Таким образом, способность ДК реагировать на микроокружение может позволить им интегрированно влиять на иммунные ответы, генерируемые в отсутствие инфекции, либо в результате прямого взаимодействия с патогенами, помогая поддерживать баланс в кишечнике между различными классами защитных реакций иммунитета и толерантностью. Наряду с ДК клеточными компонентами лимфоидной ткани кишечника человека, находящимися в тесном контакте с громадным потоком микробного материала, являются Т-лимфоциты (40 - 60% популяции), В-лимфоциты (20 - 40% популяции), моноциты и макрофаги (5 - 10%) [8]. Иммунокомпетентные клетки осуществляют ряд функций, связанных с формированием цитокинового микроокружения в кишечном биотопе, процессами усиления синтеза IgA и презентацией антигенов. Механизмы, с помощью которых ДК адаптируют свои ответы и проводят дискриминацию между вирулентными бактериями и непатогенными микроорганизмами - симбионтами, пока остаются малоизученными [9, 23, 25]. Вместе с тем, известно, что коммен-сальные и патогенные микроорганизмы могут по-разному активировать ДК, благодаря наличию у них множества рецепторов, за счет чего ДК способны различать микроорганизмы и индуцировать тип и интенсивность реакций адаптивного иммунитета [31]. Некоторые представители нормальной микрофлоры способствуют поляризации ДК к толерантности путем непосредственного контакта с их поверхностью. Так, взаимодействие штамма Lactobacillus acidophilus с ДК приводило к продукции IL-10 при низкой экспрессии IL-12p70 этими клетками. Оказалось, что формирование «невоспалительного фенотипа» ДК было связано с активацией их поверхностного рецептора DC-SIGN, взаимодействующего с поверхностным белком SlpA лактобацилл [21]. Была отмечена гетерогенность штаммов лактобацилл в отношении иммунной стимуляции дендритных клеток: L. reuteri, L. rhamnosus, L. paracasei, L. paraplantarum индуцировали лишь незначительный уровень и/или ингибировали ряд провоспалительных цитокинов, в то время как другие виды (L. plantarum, L. paracasei, L. acidophilus, L. gasseri) являлись сильными индукторами IL-12, IFN-P и хемокинов CXCL10, CCL12. В то же время, микроорганизмы рода Bifidobacterium являются более однородными по влиянию на продукцию цитокинов. В работе Weiss G. et al. [33] показано, что ни один из 16 штаммов бифидобактерий не вызвал секрецию большого количества IL-12, кроме того, все они значительно ингибировали индуцированную L. acidophilus продукцию IL-12 дендритными клетками. Для всех штаммов бифидобактерий был характерен низкий индуцирующий потенциал в отношении цитокина IL-12, а также ингибирующая активность в отношении IL-12/ IFN-p. Сходные данные были получены при изучении спектра цитокинов после воздействия культуры B. infantis 35624 на ДК, выделенные из брыжеечных лимфатических узлов человека после хирургической резекции при воспалительных заболеваниях кишечника. Дендритные клетки в ответ на стимуляцию B. infantis синтезировали IL-10 и TGF-P без индукции IL-12 и TNF-a [19]. Напротив, патогенный штамм бактерий (Salmonella typhimurium) индуцировал в ДК синтез провоспалительного цитокина IL-12. Данные результаты были подтверждены в последующих работах и позволили авторам предположить, что в ответ на присутствие В. infantis дендритные клетки селективно секретируют IL-10, но не IL-12 или IFN-a [20]. Что касается уровня продукции IL-10 дендритными клетками, то он варьировал в зависимости от вида бифидобактерий. Так, в работе Young S.L. et al. [34] было изучено влияние различных видов бифидобактерий, изолированных из толстого кишечника детей, на экспрессию маркеров клеточной поверхности и продукцию IL-10, IL-12 дендритными клетками. Установлено, что все исследуемые культуры бифидобактерий в разной степени воздействовали на экспрессию маркера CD83 (маркер зрелости ДК) и продукцию IL-10. Наиболее вариабельными оказались культуры B. adolescentis, под действием которых уровень секреции противовоспалительного цитокина ДК был штаммоспецифичен и варьировал от 4 до 53 пг/мл. Механизмы, определяющие профиль секреции соответствующих цитокинов у ДК под действием микроорганизмов, в частности, представителей нормобиоты человека, активно изучаются. Показано, что профиль цитокинов зависит от ряда факторов и в значительной степени - от связывания микробных лигандов с соответствующими рецепторами. Поскольку культуры бактерий рода Bifidobacterium способны активировать рецепторы TLR-2/6 типов, TLR-9 и DC-SIGN, предполагается, что эти ПРР могут быть ответственны за селективность продукции цитокинов дендритными клетками. Подтверждением этому являются работы ряда авторов [19, 20], которые показали существование перекрестных сигналов между TLR-2/6, DC-SIGN и TLR-9 при активации ДК в ответ на В. infantis, что индуцировало высокий уровень секреции IL-10, экспрессию Foxp3 наивными лимфоцитами и в итоге приводило к генерации регуляторных Т-лимфоцитов. Как известно, лимфоциты Treg необходимы в организме для формирования и поддержания толерантности к собственным АГ и микросимбионтам. Способность микроорганизмов влиять на индукцию регуляторных Т-лимфоцитов является важной характеристикой симбиотической микробиоты, которая защищает человека от развития патологической иммунологической реактивности. Известно, что лигандами ПРР являются компоненты клеточной стенки микроорганизмов. Показано, что у пробиотического штамма B. bifidum MIMBb75 лигандом ПРР является белок TgaA, экспрессирующийся на внешней поверхности клетки [16]. Белок TgaA гомологичен другим известным иммуноактивным бактериальным белкам и содержит два активных центра: литический муреин трансгликозилазу (LT) и цистеин-гистидин зависимую амидогидролазу/пептидазу (CHAP). Установлено, что под влиянием как B. bifidum MIMBb75, так и очищенного белка TgaA происходила активация ДК с продукцией ими IL-2. Таким образом, посредством стимуляции продукции IL-2 дендритными клетками бифидобактерии способны управлять адаптивной иммунной системой, предотвращая преобладание Тh2 иммунного ответа, связанного с аллергией [26]. Впоследствии иммунологические эксперименты, проведенные с использованием двух очищенных рекомбинантных белков, соответствующих отдельным доменам LT и CHAP, показали, что иммунореактивной областью белка TgaA является домен CHAP, а TgaA-зависимая активация ДК возможна при наличии белка CD14. На примере другого вида бифидобактерий - B. animalis было показано [9], что наибольшей IL-10 индуцирующей способностью обладают компоненты пептидогликана и РНК данных бактерий. Среди других механизмов регуляции бифидобактериями кишечного гомеостаза известно, что микросимбионты как представители нормофлоры способны не только активировать и поляризовать ДК, но и контролировать цитокиновый баланс кишечника, стимулируя продукцию цитокинов лимфоцитами и снижая про- и противовоспалительные цитокины в микроокружении. В работе Бухарина О.В. и др. [4] был выявлен возможный механизм иммунорегуляторного влияния метаболитов бифидофлоры в поддержании гомеостаза кишечной микробиоты через цитокиновый и антицитокиновый профиль хозяина (система цитокин-антицитокиновая активность). Известно, что периферические мононуклеарные клетки являются альтернативной и удобной моделью для оценки продукции цитокинов, получившей широкое применение в оценке иммуномодулирующего потенциала микросимбионтов человека и пробиотических штаммов [13, 18]. Авторами на модели мононуклеаров периферической крови человека была проведена работа по изучению иммунорегуляторного влияния экзометаболитов бифидобактерий на продукцию цитокинов [4]. Полученные результаты по изучению влияния бифидобактерий на продукцию цитокинов мононуклеарами свидетельствуют об определенном сходстве в выраженности и направленности воздействия бифидобактерий на эффекторы иммунитета. Так, штаммы бифидобактерий, как и на модели дендритных клеток, оказывали противовоспалительное действие, связанное с существенным снижением уровня IL-8 и IFN-y и, напротив, с повышением IL-10. Вместе с тем, помимо влияния бифидобактерий на продукцию цитокинов, данные микроорганизмы способны изменять уровень регуляторных пептидов непосредственно в микроокружении, а именно в культуральной среде, то есть бифидобактерии способны проявлять антицитокиновую активность (АЦА). Для бифидобактерий характерна в равной степени высокая экспрессия АЦА в отношении как провоспалительных цитокинов TNF-a, IFN-y, так и противовоспалительного цитокина IL-10. Выявление антицитокиновой активности у представителей нормофлоры расширяет наши представления о регулирующем влиянии микробиоты на цитокиновый статус организма человека и обусловливает адаптацию микросимбионтов в организме хозяина. Способность бифидобактерий усиливать продукцию IL-10 в сочетании с низкой антицитокиновой активностью в отношении данного цитокина и хемокина IL-8, вероятно, характеризует значительный адаптационный потенциал доминанта в противовоспалительном эффекте и поддержании иммунологической толерантности, реализуемый даже при глубоких микроэкологических нарушениях в биотопе толстого кишечника. Кроме того, бифидобактерии посредством изменения концентрации цитокинов в микроокружении клеток способны поддерживать цитокиновый гомеостаз и формировать необходимые условия, в которых реализуется созревание и поляризация ДК с дальнейшей направленной активацией эффекторов адаптивного иммунитета, что обеспечивает их участие в формировании иммунологической толерантности к индигенной микрофлоре. Суммируя рассматриваемый материал, можно заключить, что роль бифидобактерий в формировании кишечного гомеостаза значима и реализуется с помощью ряда механизмов (рис.). Являясь представителем нормофлоры бифидобактерии демонстрируют широкий диапазон физиологических возможностей как основной микробный регулятор модели ассоциативного симбиоза. Бифидобактерии способны «сортировать» микробные антигены на свои и чужие, то есть микробиота осуществляет первичный отбор ассоциативных микросимбионтов, регулируя микросимбиоценоз толстого кишечника человека (на рис. - 1). Сигналы, получаемые от доминантов дендритными клетками (на рис. - 2), являются приоритетными в сравнении с таковыми от ассоциативной микробиоты (на рис. - 3). Доминантная микрофлора посредством метаболитов воздействует и на лимфоциты (на рис. - 4), цитокины которых влияют на ДК (на рис. - 5). Формирование оптимального цитокинового баланса в биотопе кишечника определяется и количественными изменениями уровня цитокинов при прямом контакте бифидобактерий и их метаболитов с ци- Цнтокнновый баланс Доминант (бифидобактерии) Дендритные клетки mane CD4+TL Cell Тимфопиты Treg \ CD4+CD25-IdiP.H ) Ассоцианты (УНМ, патогены) Иммунный гомеостаз кпшечннка токинами (антицитокиновая активность) (на рис. - 6). Тем самым формируется цитокино-вое микроокружение дендритной клетки при участии системы цитокин-антицитокиновая активность. В свою очередь, ДК направляют дифференцировку и созревание наивных CD4+ Т-лимфоцитов (на рис. - 7) по пути образования регуляторных Т-клеток (на рис. - 8), контролирующих формирование иммунного гомеостаза биотопа толстого кишечника человека (на рис. - 9) вкупе с цитокиновым балансом (на рис. - 10). Таким образом, первичная дискриминация чужеродного материала бифидобактериями - инициальный этап последующего «сигналинга» в регуляции иммунного гомеостаза хозяина. Дальнейшие этапы регуляции осуществляются активацией дендритных клеток непосредственно бифидобактериями, их метаболитами с последующим влиянием на дифференцировку наивных CD4+ T- лимфоцитов в сторону регуляторных лимфоцитов и поддержанием оптимального цитокинового баланса кишечного биотопа человека.

About the authors

O. V Bukharin

Institute for Cellular and Intracellular Symbiosis

E. V Ivanova

Institute for Cellular and Intracellular Symbiosis

N. B Perunova

Institute for Cellular and Intracellular Symbiosis

I. N Chainikova

Institute for Cellular and Intracellular Symbiosis

References

Supplementary files