Врожденный иммунитет на стыке наук С А НЕДОСПАСОВ

Врожденный иммунитет: на стыке наук С. А. НЕДОСПАСОВ Институт Молекулярной Биологии им. В. А. Энгельгардта РАН Институт Физико-химической биологии им. А. Н. Белозерского МГУ

Скопление фагоцитов в личинке морской звезды вокруг занозы Мечников Илья Ильич (родился в 1845 г. под Харьковом, умер в 1916 г. в Париже) Нобелевская премия по физиологии и медицине 1908 г.

Важные факты про врожденный иммунитет 1. Защищает все виды живых существ, в то время как адаптивный иммунитет есть только у высших позвоночных. 2. Является и главной системой (сенсором) распознавания «чужого» (например, заражения патогенами), и первой линией защиты. 3. Кодируется относительно небольшим числом генов, которые не могут увеличивать разнообразия рецепторов с помощью соматических перестроек (как это происходит в адаптивном иммунитете). 4. Из-за ограниченности числа генов рецепторы (сенсоры) распознают не индивидуальный патоген, а целые классы патогенов.

Christiane Nusslein-Volhard Нобелевская премия по физиологии и медицине 1995 г.

Мухи без гена Toll зарастают грибками и погибают Lemaitre B, Nicolas E, Michaut L, Reichhart JM, Hoffmann JA. Cell, 1996, 20: 973 -83 Jules Hoffmann Président de l’Académie des Sciences Иностранный член РАН

Чарльз Дженуэй (1943 -2003) и Руслан Меджитов

TLR семейство и его лиганды у человека и мыши ЛТК, Г+ бактерии, Все бактерии ЛПС, Липопептиды грибки, -бактерии Флагелин Профилин Г микоплазма MD-2 TLR 4 TLR 6 TLR 2 TLR 1 Адаптерные белки (My. D 88, Trif) TLR 5 TLR 11 Эндосома TLR 3 ds. RNA Сигнальные киназы NF-k. B IRF Гены медиаторов, включая ФНО TLR 7 ss. RNA Cp. G DNA TLR 9

Парадокс эволюции TLR Spaetzle семейства Грибки Сенсоры микробов Г+ бактерии 18 W Toll 3 Toll DD DD Tube DD My. D 88 Pelle ? I-k. B/ CACTUS Toll 4 Toll 5 Toll 6 Toll 7 Toll 8 Toll 9 NF-k. B /DIF Защитные пептиды

Дополнительные факты про врожденный иммунитет 1. Принципиально разные стратегии распознавания: во врожденном - рецептор узнает инвариантные химические структуры целого класса патогенов в адаптивном – генерируется набор рецепторов со случайной специфичностью, которые потом отбираются. 2. За каждую из двух ветвей иммунитета, в первом приближении, отвечают разные виды клеток иммунной системы (иммуноцитов). Клетки адаптивного иммунитета - Т и В лимфоциты (а также NKT клетки). Клетки врожденного иммунитета – макрофаги (наши главные фагоциты!), нейтрофилы, дендритные клетки, NKклетки.

Структура TLR 4 -связывающих фрагментов ЛПС ( «липиды А» ) различных Г- бактерий Липид А E. coli Патогенный Липид А Rhodobacter Sphaeroides Непатогенный

Структура комплекса LPS-MD-2 -TLR 4 Kim et al, Cell 130, 906– 917, 2007 ERITORAN – синтетический аналог непатогенного липида А LPS R. sphaeroides. Является мощным антагонистом TLR 4 -MD-2; находится в III фазе клинических испытаний при тяжелом сепсисе

Структура липотейхоевых кислот из клеточных стенок Г+ бактерий – лигандов TLR 1/2 Полиглицерофосфатный эфир O O HO O R 1 P O O O R 2 P O n=45 -50 O n HO Липидная O часть O OH HO O Углеводный скелет (генциобиоза) HO O OH R 3 O R 4 O OH C 14 -C 19 alkyls

Локализация главных сенсоров и рецепторов врожденного иммунитета: TLRs и NLRs Один из результатов активации Механизм, позволяющий NLR рецепторов – продукция ИЛ- избежать узнавания своей ДНК 1, который сам запускает каскад, и РНК, - компартментализация подобный TLR

Дополнительные соображения про врожденный иммунитет 1. Неприродные химические соединения могут распознаваться рецепторами врожденного иммунитета, являясь их активаторами (агонистами) или блокаторами (антагонистами). 2. Осмысленные манипуляции с системой врожденного иммунитета будут иметь возрастающее практическое значение для медицины. 3. Значительная часть рекламируемых иммуностимуляторов относятся к природным или неприродным лигандам рецепторов врожденного иммунитета. Применять их надо с большой осторожностью и умом (главное, чтобы не вредили).

Марио Капекки Нобелевская премия по физиологии и медицине 2007 г.

Рецепторы врожденного иммунитета активируют Фактор Некроза Опухолей (один из иммуномодуляторных цитокинов) Ligand TNFR JNK TLR (PRR) NFk. B TNF NFk. B Caspases

Лиганды, рецепторы и адапторы ФНО - тримеры LTa 3 TNFR 1 TNFR 1 TRAF 3 TNFR 1 LTa TRAF TNFR 1 TRAF

Одна из физиологических функций ФНО – защита от бактерий (в т. ч. от M. tuberculosis) через образование гранулем A. Гранулемы образуются вокруг клеток, зараженных бактериями, инкапсулируя их в составе стабильной структуры. В состав гранулем входят макрофаги, Т клетки и клетки стромы. B. Вокруг «ядра» гранулемы, образованного зараженными макрофагами, находится слой незараженных макрофагов и T клеток. C. ФНО, продуцируемый Т клетками, необходим для активации макрофагов, а также – неизвестным образом – для поддержания целостности гранулем. D. Блокировка ФНО в ходе терапии может разрушить гранулемы, позволяя микобактериям выйти из зараженных клеток и начать размножаться. Adapted from S. Ehlers Ann Rheum Dis 2003; 62: 37

Одна из физиологических функций ФНО – защита от бактерий (в т. ч. от M. tuberculosis) через образование гранулем A. Macrophage-derived TNF acts as a costimulus for T cells. B. T cell–derived TNF primes macrophages for mycobactericidal activity. C. Macrophage and T cell–derived TNF, together with IFN-g and chemokines, induces recruitment and organized accumulation of mononuclear cells into highly structured granulomas. TNF and IFN-g also regulate excessive inflammation by inducing apoptosis of T cells. D. Anti-TNF therapy results in granuloma breakdown and dissemination of mycobacteria. Egen et al Immunity 2008 Adapted from S. Ehlers Ann Rheum Dis 2003; 62: 37

Удивительно высокая подвижность Т клеток во внешних слоях гранулем

Панель мышей с кондиционной инактивацией гена ФНО Мыши к кондиционным Трансгенные мыши, нокаутом обеспечивающие контролируемую делецию гена ФНО lox. P Мышь с модифицированным геном ФНО TNF = X B лимфоциты CD 19 -Cre X = Т лимфоциты CD 4 -Cre = X MLys-Cre X Макрофаги и нейтрофилы = Mx-Cre Индуцибельная делеция

Макрофаги и нейтрофилы – главные источники системного ФНО 100 Survival, % 80 4 3 2 TNF KO MN-TNF i. TNF+ B-TNF, T-TNF 0 60 40 20 1 WT, i. TNF- ФНО, ng/ml 5 TNF KO, MN-TNF, i. TNF+ Концентрация ФНО в крови после инъекции ЛПС 0 WT, i. TNF-, T-TNF, B-TNF 0 5 20 Hours 40 Токсичность к ЛПС/D-gal (модель острого септического шока)

ФНО критическим образом нужен для защиты от туберкулеза, причем его источники – как макрофаги, так и Т лимфоциты. WT Выживаемость, % 100 MN-TNF KO 80 T-TNF KO 60 40 20 0 0 20 40 60 80 Дни после заражения 100

Блокировка ФНО: лекарства* Лекарство Структура Болезни Ремикейд/ infliximab Химерные моноклональные антитела против ФНО человека Ревматоидный артрит, болезнь Бехтерева, болезнь Крона, псориаз Энбрел/ etanercept Димер растворимого рецептора p 75 ФНО, «сфьюженного» с Ig. G человека Ревматоидный артрит, болезнь Бехтерева Хумира/ adalimumab Полностью гуманизованные моноклональные антитела против ФНО Ревматоидный артрит болезнь Бехтерева, болезнь Крона *Примерная стоимость курса лечения в Европе – 15 тыс Евро в год

Change in paw thickness, mm Блокировка ФНО (индуцибельная делеция гена) замедляет развитие экспериментального артрита 0. 75 0. 25 0 TNF KO WT i-TNF + poly. IC

Блокировка ФНО с помощью индуцибельной делеции гена или с помощью блокаторов в «гуманизованных» мышах разрушает врожденную защиту против бактерий Доза бактерий Listeriа 2 x 104 cfu /мышь, внутривенно Hum. TNF Tg (mus. TNF/LT)D/+ + Remicade Выживаемость, % 100 80 i. TNF (naïve) 60 40 Hum. TNF Tg (mus. TNF/LT)D/D + Remicade 20 i. TNF + poly. IC TNF KO 0 0 2 4 6 Дни после заражения 8

Баланс «полезных» и «вредных» свойств ФНО Структура лимфоидных а уктур ых Стр органов идн мфо нов ли Врожденная орга ая защита организма денн изма Врож орган «полезные» свойстваа та защи тв войс с ные» ез «пол Системная истем сть Стоксичность но ч токси итет мун тоим Ау Аутоиммунитет тва йс о е» св дны «вредные» свойства Что произойдет при системном блокировании ФНО у больных (препараты Infliximab, Etanercept)? - Инфекции (ТБ), лимфомы

Благодарности Р. Меджитов Ж. Хоффманн Д. В. Купраш С. Гривенников А. Кучмий П. Белоусов Т. Ачельдиева www. oncoimmunology. ru sergei. nedospasov@gmail. com