Лейкоцитарная экстравазация - Leukocyte extravasation

Нейтрофилов экстравазировать от кровеносных сосудов к месту повреждения ткани или инфекции во время врожденный иммунный ответ.

Лейкоцитарная экстравазация (также широко известный как каскад адгезии лейкоцитов или диапедез - прохождение клеток через неповрежденную стенку сосуда) - движение лейкоциты из сердечно-сосудистая система и к месту повреждения ткани или инфекции. Этот процесс является частью врожденный иммунный ответ, включая набор неспецифических лейкоцитов. Моноциты также используйте этот процесс при отсутствии инфекции или повреждения тканей во время их развития в макрофаги.

Обзор

Микрофотография показывая миграцию лейкоцитов, ОН пятно

Экстравазация лейкоцитов происходит в основном в посткапиллярной венулы, где гемодинамический поперечные силы сведены к минимуму. Этот процесс можно разделить на несколько этапов:

  1. Хемоаттракция
  2. Прокатная адгезия
  3. Плотная адгезия
  4. (Эндотелиальная) Трансмиграция

Было продемонстрировано, что рекрутирование лейкоцитов останавливается всякий раз, когда подавляется любой из этих шагов.

Лейкоциты (лейкоциты) выполняют большинство своих функций в тканях. Функции включают фагоцитоз чужеродных частиц, выработку антител, секрецию триггеров воспалительной реакции (гистамин и гепарин) и нейтрализацию гистамина. В общем, лейкоциты участвуют в защите организма и защищают его от болезней, стимулируя или подавляя воспалительные реакции. Лейкоциты используют кровь как транспортную среду для достижения тканей тела. Вот краткое изложение каждого из четырех этапов, которые в настоящее время считаются вовлеченными в экстравазацию лейкоцитов:

Хемоаттракция

Дальнейшая информация: Хемотаксис § Хемоаттрактанты и хемопелленты

После распознавания и активации патогены, резидентные макрофаги в пораженной ткани высвобождают цитокины такие как Ил-1, TNFα и хемокины. ИЛ-1, TNFα и C5a[1] вызвать эндотелиальные клетки кровеносных сосудов рядом с очагом инфекции, чтобы выразить молекулы клеточной адгезии, в том числе селектины. Циркулирующие лейкоциты локализуются к месту травмы или инфекции из-за присутствия хемокинов.

Прокатная адгезия

Подобно липучке, углеводные лиганды на циркулирующих лейкоцитах связываются с молекулами селектина на внутренней стенке сосуда с маргинальными близость. Это заставляет лейкоциты замедляться и начинают катиться по внутренней поверхности стенки сосуда. Во время этого перекатывающего движения между селектинами и их лиганды.

Например, углеводный лиганд для P-селектина, лиганд-1 гликопротеина P-селектина (PSGL-1), экспрессируется различными типами лейкоцитов (белых кровяных телец). Связывание PSGL-1 на лейкоците с Р-селектином на эндотелиальной клетке позволяет лейкоциту катиться по эндотелиальной поверхности. Это взаимодействие можно настроить с помощью паттерна гликозилирования PSGL-1, так что определенные гликоварианты PSGL-1 будут обладать уникальным сродством к разным селектинам, что в некоторых случаях позволяет клеткам мигрировать в определенные участки тела (например, кожу).[2]

Плотная адгезия

В то же время хемокины, высвобождаемые макрофагами, активируют катящиеся лейкоциты и вызывают поверхностное интегрин молекулы для переключения из состояния низкого сродства по умолчанию в состояние с высоким сродством. Этому способствует юкстакрин активация интегринов хемокинами и растворимыми факторами, высвобождаемыми эндотелиальными клетками. В активированном состоянии интегрины прочно связываются с комплементарными рецепторами, экспрессируемыми на эндотелиальных клетках, с высоким сродством. Это вызывает иммобилизацию лейкоцитов, которая варьируется в сосудах, которые содержат разные силы сдвига текущего кровотока.

Трансмиграция

В цитоскелеты лейкоцитов реорганизованы таким образом, что лейкоциты распространяются по эндотелиальным клеткам. В этой форме лейкоциты распространяются псевдоподия и проходят через щели между эндотелиальными клетками. Это прохождение клеток через неповрежденную стенку сосуда называется диапедезом.[3] Эти промежутки могут образовываться в результате взаимодействия лейкоцитов с эндотелием, но также и автономно через эндотелиальную механику.[4] Трансмиграция лейкоцитов происходит как PECAM белки, обнаруженные на поверхности лейкоцитов и эндотелиальных клеток, взаимодействуют и эффективно протягивают клетку через эндотелий. Пройдя через эндотелий, лейкоцит должен проникнуть в базальная мембрана. Механизм проникновения оспаривается, но может включать протеолитическое расщепление мембраны, механическое воздействие или и то, и другое.[5] Весь процесс выхода кровеносных сосудов известен как диапедез. Однажды в тканевая жидкость лейкоциты мигрируют по хемотаксический градиент к месту травмы или инфекции.

Молекулярная биология

Вступление

Лейкоцитарная экстравазация

Фазы экстравазации лейкоцитов, изображенные на схеме, следующие: приближение, захват, перекатывание, активация, связывание, усиление связывания и распространения, внутрисосудистое ползание, параклеточная миграция или трансцеллюлярная миграция.

Selectins

Селектины экспрессируются вскоре после цитокиновой активации эндотелиальных клеток тканевыми макрофагами. Активированные эндотелиальные клетки первоначально экспрессируют молекулы P-селектина, но в течение двух часов после активации экспрессия E-селектина становится более благоприятной. Эндотелиальные селектины связываются углеводы на трансмембранные лейкоциты гликопротеины, в том числе сиалил-ЛьюисИкс.

  • P-селектины: Р-селектин экспрессируется на активированных эндотелиальных клетках и тромбоциты. Синтез P-селектина может быть вызван тромбин, лейкотриен B4, дополнять фрагмент C5a, гистамин, TNFα или LPS. Эти цитокины вызывают экстернализацию Тела Weibel-Palade в эндотелиальных клетках, представляя предварительно сформированные Р-селектины на поверхности эндотелиальных клеток. P-селектины связываются ПСГЛ-1 в качестве лиганда.[6]
  • E-селектины: E-селектин экспрессируется на активированных эндотелиальных клетках. Синтез E-селектина следует вскоре после синтеза P-селектина, индуцированного цитокинами, такими как IL-1 и TNFα. E-селектины связывают PSGL-1 и ESL-1.
  • L-селектины: L-селектины конститутивно экспрессируются на некоторых лейкоцитах и, как известно, связывают GlyCAM-1, MadCAM-1 и CD34 в качестве лигандов.

Подавленная экспрессия некоторых селектинов приводит к замедлению иммунного ответа. Если L-селектин не продуцируется, иммунный ответ может быть в десять раз медленнее, поскольку P-селектины (которые также могут продуцироваться лейкоцитами) связываются друг с другом. P-селектины могут связываться друг с другом с высокой аффинностью, но встречаются реже, потому что плотность рецепторных сайтов ниже, чем с меньшими молекулами E-селектина. Это увеличивает начальную скорость катания лейкоцитов, продлевая фазу медленного катания.

Интегрины

Интегрины, участвующие в клеточной адгезии, в первую очередь экспрессируются на лейкоцитах. β2 интегрины на вращающихся лейкоцитах связываются эндотелиальный клеточная адгезия молекулы, задерживающие движение клеток.

  • LFA-1 обнаруживается на циркулирующих лейкоцитах и ​​связывает ICAM-1 и ICAM-2 на эндотелиальных клетках
  • Мак-1 обнаруживается на циркулирующих лейкоцитах и ​​связывает ICAM-1 на эндотелиальных клетках
  • VLA-4 обнаруживается на лейкоцитах и ​​эндотелиальных клетках и способствует хемотаксису; это также связывает VCAM-1

Клеточная активация с помощью внеклеточных хемокинов вызывает высвобождение предварительно сформированных интегринов β2 из клеточных хранилищ. Молекулы интегрина мигрируют на поверхность клетки и собираются вжадность патчи. Внутриклеточные домены интегрина связаны с цитоскелетом лейкоцитов через посредничество с цитозольными факторами, такими как талин, α-актинин и винкулин. Эта ассоциация вызывает конформационный сдвиг в интегрине. третичная структура, позволяя лиганду получить доступ к сайту связывания. Двухвалентные катионы (например. Mg2+ ) также необходимы для связывания интегрин-лиганд.

Интегриновые лиганды ICAM-1 и VCAM-1 активируются воспалительными цитокинами, в то время как ICAM-2 конститутивно экспрессируется некоторыми эндотелиальными клетками, но подавляется воспалительными цитокинами. ICAM-1 и ICAM-2 имеют два общих гомологичный N-концевой домены; оба могут связывать LFA-1.

Во время хемотаксиса движение клеток облегчается за счет связывания интегринов β1 с компонентами внеклеточный матрикс: VLA-3, VLA-4 и VLA-5 в фибронектин и VLA-2 и VLA-3 к коллаген и другие компоненты внеклеточного матрикса.

Цитокины

Экстравазация регулируется фоновой цитокиновой средой, производимой воспалительная реакция, и не зависит от конкретных клеточных антигены. Цитокины, высвобождаемые при начальном иммунном ответе, вызывают расширение сосудов и снизить электрический заряд по поверхности судна. Кровоток замедляется, что способствует межмолекулярному связыванию.

  • Ил-1 активирует резидент лимфоциты и эндотелий сосудов
  • TNFα увеличивает проницаемость сосудов и активирует эндотелий сосудов
  • CXCL8 (Ил-8) образует хемотаксический градиент, который направляет лейкоциты к месту повреждения / инфекции ткани (CCL2 имеет аналогичную функцию CXCL8, вызывая экстравазацию моноцитов и развитие в макрофаги); также активирует интегрины лейкоцитов

Последние достижения

В 1976 году изображения SEM показали, что на концах лейкоцитов, похожих на микроворсинки, были рецепторы, которые позволяли лейкоцитам выходить из кровеносного сосуда и попадать в ткань.[7] С 1990-х годов были тщательно изучены лиганды, участвующие в экстравазации лейкоцитов. Эту тему наконец-то удалось тщательно изучить в условиях физиологического напряжения сдвига с использованием типичной проточной камеры.[8] С первых экспериментов наблюдалось странное явление. Было замечено, что связывающие взаимодействия между лейкоцитами и стенками сосудов усиливаются при более высокой силе. Было обнаружено, что в этом явлении участвуют селектины (E-отбор, L-отбор и P-селектин) Требование порога сдвига кажется нелогичным, потому что увеличение сдвига увеличивает силу, прилагаемую к адгезивным связям, и может показаться, что это должно увеличить смещение. способность. Тем не менее, ячейки катятся медленнее и более регулярно, пока не будет достигнут оптимальный сдвиг, при котором скорость прокатки минимальна. Это парадоксальное явление не получило удовлетворительного объяснения, несмотря на всеобщий интерес.

Одна из первоначально отвергнутых гипотез, которая вызывает интерес, - это гипотеза сцепления, согласно которой повышенная сила, действующая на клетку, замедляет скорость разрушения и увеличивает время жизни связи, а также стабилизирует стадию экстравазации лейкоцитов.[9]Адгезия клеток, усиленная потоком, все еще остается необъяснимым явлением, которое может быть результатом зависящего от транспорта увеличения скорости включения или зависимого от силы уменьшения скорости разрыва адгезионных связей. L-селектин требует определенного минимума сдвига для поддержания катания лейкоцитов по лиганду-1 гликопротеина P-селектина (PSGL-1) и другим сосудистым лигандам. Была выдвинута гипотеза, что низкие силы уменьшают отклонения L-селектина-PSGL-1 (захватывающие связи), тогда как более высокие силы увеличивают отклонения (скользящие связи). Эксперименты показали, что зависимое от силы уменьшение отклонений диктует поток -усиление прокатки микросфер или нейтрофилов, содержащих L-селектин, на PSGL-1. [5] Улавливающие связи позволяют увеличивать силу для преобразования коротких сроков службы связи в длинные, что снижает скорость прокатки и увеличивает регулярность шагов прокатки по мере того, как сдвиг повышается от порогового значения до оптимального значения. По мере увеличения сдвига переходы на скользящие связи сокращают время их жизни и увеличивают скорость прокатки и уменьшают регулярность прокатки. Предполагается, что зависимые от силы изменения времени жизни связи управляют зависимой от L-селектина клеточной адгезией ниже и выше оптимума сдвига. Эти открытия устанавливают биологическую функцию улавливающих связей как механизма адгезии клеток с усилением потока.[10] В то время как лейкоциты, по-видимому, подвергаются поведению цепного связывания с увеличивающимся потоком, ведущим к этапам связывания и перекатывания при экстравазации лейкоцитов, прочная адгезия достигается посредством другого механизма - активации интегрина.

Другие биологические примеры механизма сцепления с захватом наблюдаются у бактерий, которые плотно цепляются за стенки мочевыводящих путей в ответ на высокие скорости жидкости и большие силы сдвига, действующие на клетки и бактерии с липкими кончиками фимбрий.[9][11] Схематические механизмы того, как увеличенная сила сдвига, как предполагается, вызывает более сильные связывающие взаимодействия между бактериями и клетками-мишенями, показывают, что сцепление действует очень похоже на китайскую ловушку для пальцев. Для сцепления сила, действующая на клетку, притягивает липкий кончик фимбрии, чтобы плотнее смыкаться на ее целевой клетке. Чем больше сила сил, тем сильнее связь между фимбриями и клеткой-рецептором на поверхности клетки-мишени.[11] Для криптической связи сила заставляет фимбрии поворачиваться к клетке-мишени и иметь больше участков связывания, способных прикрепляться к лигандам клетки-мишени, в основном молекулам сахара. Это создает более сильное связывающее взаимодействие между бактериями и клеткой-мишенью.

Появление микрофлюидных устройств

Проточные камеры с параллельными пластинами являются одними из самых популярных проточных камер, используемых для изучения лейкоцитарно-эндотелиального взаимодействия in vitro. Они использовались для расследования с конца 1980-х годов.[12] Хотя проточные камеры были важным инструментом для изучения сворачивания лейкоцитов, существует несколько ограничений, когда дело доходит до изучения физиологических условий in vivo, поскольку они не соответствуют геометрии in vivo, включая соотношение масштаба / формы (микрососудистая сеть по сравнению с моделями больших сосудов). условия потока (например, сходящийся или расходящийся потоки при разветвлении) и требуют больших объемов реагентов (~ мл) из-за их большого размера (высота> 250 мкм и ширина> 1 мм).[13]С появлением устройств на основе микрофлюидов эти ограничения были преодолены. Новая модель in vitro, названная SynVivo Synthetic микрососудистая сеть (SMN), была создана CFD Research Corporation (CFDRC) и разработана с использованием процесса мягкой литографии на основе полидиметилсилоксана (PDMS). SMN может воссоздать сложную сосудистую сеть in vivo, включая геометрические характеристики, условия потока и объемы реагентов, тем самым обеспечивая биологически реалистичную среду для изучения клеточного поведения при экстравазации, а также для доставки лекарств и открытия лекарств. [14][15]

Дефицит адгезии лейкоцитов

Основная статья: Дефицит адгезии лейкоцитов

Дефицит адгезии лейкоцитов (LAD) - это генетическое заболевание, связанное с дефектом процесса экстравазации лейкоцитов, вызванное дефектной β2-цепью интегрина (обнаруживается в LFA-1 и Mac-1). Это снижает способность лейкоцитов останавливаться и подвергаться диапедезу. Люди с LAD страдают от рецидивирующих бактериальных инфекций и нарушения заживления ран. Нейтрофилия является визитной карточкой LAD.

Дисфункция нейтрофилов

При широко распространенных заболеваниях, таких как сепсис, экстравазация лейкоцитов переходит в неконтролируемую стадию, когда нейтрофилы белой крови начинают разрушать ткани хозяина с беспрецедентной скоростью, унося жизни около 200000 человек только в Соединенных Штатах.[16] Дисфункции нейтрофилов обычно предшествует какая-то инфекция, которая запускает патоген-ассоциированные молекулярные структуры (PAMP). По мере усиления экстравазации лейкоцитов нейтрофилы повреждают все больше тканей, которые выделяют радикалы кислорода и протеазы.[16]

Недавние исследования SynVivo Synthetic микрососудистой сети (SMN) сделали возможным изучение противовоспалительных терапевтических средств для лечения патологий, вызванных дисфункцией нейтрофилов. SMN позволяет проводить тщательный анализ каждой стадии экстравазации лейкоцитов, тем самым предоставляя методологию для количественной оценки эффекта препарата в препятствовании экстравазации лейкоцитов. Некоторые из недавних открытий демонстрируют влияние гидродинамики на нейтрофильно-эндотелиальные взаимодействия. Другими словами, на адгезию нейтрофилов сильно влияют силы сдвига, а также молекулярные взаимодействия. Более того, по мере уменьшения скорости сдвига (например, в посткапиллярных венулах) иммобилизация лейкоцитов становится более легкой и, следовательно, более распространенной. Обратное тоже верно; сосуды, в которых сила сдвига велика, затрудняют иммобилизацию лейкоцитов. Это имеет серьезные последствия при различных заболеваниях, когда нарушения кровотока серьезно влияют на реакцию иммунной системы, затрудняя или ускоряя иммобилизацию лейкоцитов. Эти знания позволяют лучше изучить влияние лекарств на экстравазацию лейкоцитов.[13][16][14]

Сноски

  1. ^ Monk PN, Scola AM, Madala P, Fairlie DP (октябрь 2007 г.). «Функция, структура и терапевтический потенциал рецепторов комплемента C5a». Британский журнал фармакологии. 152 (4): 429–48. Дои:10.1038 / sj.bjp.0707332. ЧВК  2050825. PMID  17603557.
  2. ^ Маверакис Э., Ким К., Шимода М., Гершвин М.Э., Патель Ф., Уилкен Р., Райчаудхури С., Рухак Л. Р., Лебрилла CB (февраль 2015 г.). «Гликаны в иммунной системе и теория аутоиммунитета с измененными гликанами: критический обзор». Журнал аутоиммунитета. 57 (6): 1–13. Дои:10.1016 / j.jaut.2014.12.002. ЧВК  4340844. PMID  25578468.
  3. ^ Beekhuizen, Генри; Фурт, Ральф ван (1998). «Диапедез». Энциклопедия иммунологии. стр.757–760. Дои:10.1006 / rwei.1999.0200. ISBN  978-0-12-226765-9.
  4. ^ Эскрибано Дж., Чен М.Б., Моеендарбари Э., Цао Х, Шеной В., Гарсия-Аснар Дж. М. и др. (Май 2019 г.). «Баланс механических сил стимулирует образование эндотелиальной щели и может способствовать раку и экстравазации иммунных клеток». PLoS вычислительная биология. 15 (5): e1006395. Дои:10.1371 / journal.pcbi.1006395. ЧВК  6497229. PMID  31048903.
  5. ^ Сорокин Л (октябрь 2010). «Влияние внеклеточного матрикса на воспаление». Обзоры природы. Иммунология. Издательская группа "Природа". 10 (10): 712–23. Дои:10.1038 / nri2852. PMID  20865019.
  6. ^ МакЭвер Р.П., Бекстед Дж. Х., Мур К. Л., Маршалл-Карлсон Л., Бейнтон Д. Ф. (июль 1989 г.). «GMP-140, мембранный белок альфа-гранул тромбоцитов, также синтезируется эндотелиальными клетками сосудов и локализуется в тельцах Вейбеля-Паладе». Журнал клинических исследований. 84 (1): 92–9. Дои:10.1172 / JCI114175. ЧВК  303957. PMID  2472431.
  7. ^ Андерсон А.О., Андерсон Н.Д. (ноябрь 1976 г.). «Эмиграция лимфоцитов из венул высокого эндотелия в лимфатических узлах крысы». Иммунология. 31 (5): 731–48. ЧВК  1445135. PMID  992709.
  8. ^ Визе Г., Бартель С.Р., Димитрофф С.Дж. (февраль 2009 г.). «Анализ физиологического катания лейкоцитов, опосредованного Е-селектином, на эндотелии микрососудов». Журнал визуализированных экспериментов. 24 (24): 1009. Дои:10.3791/1009. ЧВК  2730781. PMID  19229187.
  9. ^ а б Томас В.Е., Нильссон Л.М., Фореро М., Сокуренко Е.В., Фогель В. (сентябрь 2004 г.). «Зависящая от сдвига адгезия типа« стик-энд-ролл »фимбриированной Escherichia coli типа 1». Молекулярная микробиология. 53 (5): 1545–57. Дои:10.1111 / j.1365-2958.2004.04226.x. PMID  15387828.
  10. ^ Яго Т., Ву Дж., Вей С.Д., Клопоцки А.Г., Чжу С., МакЭвер Р.П. (сентябрь 2004 г.). «Улавливающие связи регулируют адгезию через L-селектин при пороговом сдвиге». Журнал клеточной биологии. 166 (6): 913–23. Дои:10.1083 / jcb.200403144. ЧВК  2172126. PMID  15364963.
  11. ^ а б Томас В.Е., Тринчина Е., Фореро М., Фогель В., Сокуренко Е.В. (июнь 2002 г.). «Бактериальная адгезия к клеткам-мишеням, усиленная силой сдвига». Клетка. 109 (7): 913–23. Дои:10.1016 / S0092-8674 (02) 00796-1. PMID  12110187.
  12. ^ Набель Дж., Балтимор Д. (1987). «Индуцибельный фактор транскрипции активирует экспрессию вируса иммунодефицита человека в Т-клетках». Природа. 326 (6114): 711–3. Дои:10.1038 / 326711a0. PMID  3031512.
  13. ^ а б Прабхакарпандиан Б., Шен М.С., Пант К., Киани М.Ф. (ноябрь 2011 г.). «Микрожидкостные устройства для моделирования межклеточных и межклеточных взаимодействий в микроциркуляторном русле». Микрососудистые исследования. 82 (3): 210–20. Дои:10.1016 / j.mvr.2011.06.013. ЧВК  3215799. PMID  21763328.
  14. ^ а б Смит А.М., Прабхакарпандиан Б., Пант К. (май 2014 г.). «Создание карты адгезии при сдвиге с использованием синтетических микрососудистых сетей SynVivo». Журнал визуализированных экспериментов. 87 (87): e51025. Дои:10.3791/51025. ЧВК  4207183. PMID  24893648.
  15. ^ Ламберти Дж., Прабхакарпандиан Б., Гарсон С., Смит А., Пант К., Ван Б., Киани М. Ф. (август 2014 г.). «Биоинспирированный микрофлюидный анализ для моделирования in vitro лейкоцитарно-эндотелиальных взаимодействий». Аналитическая химия. 86 (16): 8344–51. Дои:10.1021 / ac5018716. ЧВК  4139165. PMID  25135319.
  16. ^ а б c Соруш Ф., Чжан Т., Кинг Ди-джей, Тан И, Деосаркар С., Прабхакарпандиан Б., Килпатрик Л. Е., Киани М. Ф. (ноябрь 2016 г.). «Новый микрофлюидный анализ показывает ключевую роль протеинкиназы C δ в регуляции взаимодействия нейтрофилов и эндотелия человека». Журнал биологии лейкоцитов. 100 (5): 1027–1035. Дои:10.1189 / jlb.3MA0216-087R. ЧВК  5069089. PMID  27190303.

Рекомендации