Wynaczynienie leukocytów - Leukocyte extravasation

Neutrofile wynaczyniają się z naczyń krwionośnych do miejsca uszkodzenia tkanki lub infekcji podczas wrodzonej odpowiedzi immunologicznej .

Wynaczynienie leukocytów (potocznie zwane też kaskadą adhezji leukocytów lub diapedezą – przejście komórek przez nienaruszoną ścianę naczynia) to przemieszczanie się leukocytów z układu krążenia w kierunku miejsca uszkodzenia lub infekcji tkanki. Proces ten stanowi część wrodzonej odpowiedzi immunologicznej , obejmującej rekrutację nieswoistych leukocytów. Monocyty również wykorzystują ten proces w przypadku braku infekcji lub uszkodzenia tkanek podczas ich rozwoju w makrofagi .

Przegląd

Mikrograf pokazujący migrację leukocytów, barwienie H&E

Wynaczynienie leukocytów następuje głównie w żyłkach zakapilarnych , gdzie siły ścinające hemodynamiczne są zminimalizowane. Proces ten można zrozumieć w kilku krokach:

  1. Chemoatrakcja
  2. Toczna przyczepność
  3. Ścisła przyczepność
  4. (Śródbłonkowa) Transmigracja

Wykazano, że rekrutacja leukocytów jest zatrzymywana, gdy którykolwiek z tych etapów jest tłumiony.

Białe krwinki (leukocyty) pełnią większość swoich funkcji w tkankach. Funkcje obejmują fagocytozę obcych cząstek, wytwarzanie przeciwciał, wydzielanie wyzwalaczy odpowiedzi zapalnej (histamina i heparyna) oraz neutralizację histaminy. Ogólnie rzecz biorąc, leukocyty biorą udział w obronie organizmu i chronią go przed chorobą poprzez promowanie lub hamowanie odpowiedzi zapalnych. Leukocyty wykorzystują krew jako środek transportu, aby dotrzeć do tkanek organizmu. Oto krótkie podsumowanie każdego z czterech etapów, które obecnie uważa się za związane z wynaczynieniem leukocytów:

Chemoatrakcja

Dalsze informacje: Chemotaksja § Chemoatraktanty i chemorepelenty

Po rozpoznaniu i aktywacji przez patogeny , makrofagi rezydujące w zaatakowanej tkance uwalniają cytokiny, takie jak IL-1 , TNFα i chemokiny . IL-1, TNFα i C5a powodują ekspresję cząsteczek adhezyjnych komórek , w tym selektyn, w komórkach śródbłonka naczyń krwionośnych w pobliżu miejsca zakażenia . Krążące leukocyty są zlokalizowane w miejscu urazu lub infekcji ze względu na obecność chemokin.

Toczna przyczepność

Podobnie jak rzep, ligandy węglowodanowe na krążących leukocytach wiążą się z cząsteczkami selektyny na wewnętrznej ścianie naczynia z marginalnym powinowactwem . To powoduje, że leukocyty zwalniają i zaczynają toczyć się wzdłuż wewnętrznej powierzchni ściany naczynia. Podczas tego toczącego się ruchu powstają i rozpadają się wiązania przejściowe między selektynami i ich ligandami .

Na przykład ligand węglowodanowy dla selektyny P, ligand glikoproteiny P-selektyny-1 (PSGL-1) jest wyrażany przez różne typy leukocytów (krwinki białe). Wiązanie PSGL-1 na leukocycie z selektyną P na komórce śródbłonka umożliwia toczenie się leukocytów wzdłuż powierzchni śródbłonka. Ta interakcja może być dostrojona przez wzór glikozylacji PSGL-1, tak że pewne glikowarianty PSGL-1 będą miały unikalne powinowactwo do różnych selektyn, umożliwiając w niektórych przypadkach migrację komórek do określonych miejsc w ciele (np. skóra).

Ścisła przyczepność

W tym samym czasie chemokiny uwalniane przez makrofagi aktywują toczące się leukocyty i powodują przejście cząsteczek powierzchniowych integryn z domyślnego stanu niskiego powinowactwa do stanu wysokiego powinowactwa. Jest to wspomagane przez jukstakrynową aktywację integryn przez chemokiny i rozpuszczalne czynniki uwalniane przez komórki śródbłonka. W stanie aktywowanym integryny wiążą się ściśle z komplementarnymi receptorami wyrażanymi na komórkach śródbłonka z wysokim powinowactwem. Powoduje to unieruchomienie leukocytów, które różnią się w naczyniach zawierających różne siły ścinające bieżącego przepływu krwi.

Brykanie

W cytoskeletons leukocytów są zreorganizowane w taki sposób, że leukocyty są rozłożone w komórkach śródbłonka. W tej formie leukocyty rozciągają się na pseudopodia i przechodzą przez szczeliny między komórkami śródbłonka. To przejście komórek przez nienaruszoną ścianę naczynia nazywa się diapedezą. Te luki mogą powstawać poprzez interakcje leukocytów ze śródbłonkiem, ale także autonomicznie poprzez mechanikę śródbłonka. Transmigracja leukocytów zachodzi, ponieważ białka PECAM , znajdujące się na powierzchniach leukocytów i komórek śródbłonka, oddziałują i skutecznie przeciągają komórkę przez śródbłonek. Po przejściu przez śródbłonek leukocyt musi przeniknąć przez błonę podstawną . Mechanizm penetracji jest kwestionowany, ale może obejmować trawienie proteolityczne błony, siłę mechaniczną lub jedno i drugie. Cały proces ucieczki naczyń krwionośnych jest znany jako diapedeza . W płynie śródmiąższowym leukocyty migrują wzdłuż gradientu chemotaktycznego w kierunku miejsca urazu lub infekcji.

Biologia molekularna

Wstęp

Wynaczynienie leukocytów

Przedstawione na schemacie fazy wynaczynienia leukocytów to: podejście, wychwyt, rolowanie, aktywacja, wiązanie, wzmocnienie wiązania i rozprzestrzeniania się, pełzanie wewnątrznaczyniowe, migracja parakomórkowa lub migracja transkomórkowa.

Selektyny

Selektyny ulegają ekspresji wkrótce po aktywacji komórek śródbłonka przez cytokiny przez makrofagi tkankowe. Aktywowane komórki śródbłonka początkowo wyrażają cząsteczki P-selektyny, ale w ciągu dwóch godzin po aktywacji ekspresja E-selektyny jest uprzywilejowana. Selektyny śródbłonkowe wiążą węglowodany na glikoproteinach przezbłonowych leukocytów , w tym sialilo- Lewis X .

Tłumienie ekspresji niektórych selektyn powoduje wolniejszą odpowiedź immunologiczną. Jeśli selektyna L nie jest wytwarzana, odpowiedź immunologiczna może być dziesięciokrotnie wolniejsza, ponieważ selektyny P (które mogą być również wytwarzane przez leukocyty) wiążą się ze sobą. Selektyny P mogą wiązać się z wysokim powinowactwem, ale występują rzadziej, ponieważ gęstość miejsca receptora jest mniejsza niż w przypadku mniejszych cząsteczek selektyny E. Zwiększa to początkową prędkość toczenia leukocytów, przedłużając fazę powolnego toczenia.

Integryny

Integryny zaangażowane w adhezję komórkową są wyrażane głównie na leukocytach. Integryny β2 na toczących się leukocytach wiążą cząsteczki adhezji komórek śródbłonka , zatrzymując ruch komórek.

  • LFA-1 znajduje się na krążących leukocytach i wiąże ICAM-1 i ICAM-2 na komórkach śródbłonka
  • Mac-1 znajduje się na krążących leukocytach i wiąże ICAM-1 na komórkach śródbłonka
  • VLA-4 znajduje się na leukocytach i komórkach śródbłonka i ułatwia chemotaksję; wiąże również VCAM-1

Aktywacja komórkowa przez zewnątrzkomórkowe chemokiny powoduje uwolnienie wcześniej utworzonych integryn β2 z magazynów komórkowych. Cząsteczki integryn migrują na powierzchnię komórki i gromadzą się w łatach o wysokiej awidności . Wewnątrzkomórkowe domeny integrynowe łączą się z cytoszkieletem leukocytów poprzez pośrednictwo z czynnikami cytozolowymi, takimi jak talina , α- aktynina i winkulina . To powiązanie powoduje zmianę konformacyjną w trzeciorzędowej strukturze integryny , umożliwiając dostęp liganda do miejsca wiązania. Kationy dwuwartościowe (np. Mg2 + ) są również wymagane do wiązania integryna-ligand.

Ligandy integryn ICAM-1 i VCAM-1 są aktywowane przez cytokiny zapalne, podczas gdy ICAM-2 jest konstytutywnie wyrażany przez niektóre komórki śródbłonka, ale jest regulowany w dół przez cytokiny zapalne. ICAM-1 i ICAM-2 dzielą dwie homologiczne domeny N-końcowe ; oba mogą wiązać LFA-1.

Podczas chemotaksji ruch komórek jest ułatwiony przez wiązanie integryn β1 ze składnikami macierzy zewnątrzkomórkowej : VLA-3, VLA-4 i VLA-5 z fibronektyną oraz VLA-2 i VLA-3 z kolagenem i innymi składnikami macierzy zewnątrzkomórkowej.

Cytokiny

Wynaczynienie jest regulowane przez tło cytokin, wytwarzane przez odpowiedź zapalną i jest niezależne od specyficznych antygenów komórkowych . Cytokiny uwalniane w początkowej odpowiedzi immunologicznej wywołują rozszerzenie naczyń i obniżają ładunek elektryczny wzdłuż powierzchni naczynia. Przepływ krwi jest spowolniony, co ułatwia wiązanie międzycząsteczkowe.

  • IL-1 aktywuje rezydentne limfocyty i śródbłonek naczyniowy
  • TNFα zwiększa przepuszczalność naczyń i aktywuje śródbłonek naczyń
  • CXCL8 (IL-8) tworzy gradient chemotaktyczny, który kieruje leukocyty w stronę miejsca uszkodzenia/zakażenia tkanki ( CCL2 ma podobną funkcję do CXCL8, indukując wynaczynienie monocytów i rozwój makrofagów); aktywuje również integryny leukocytów

Najnowsze postępy

W 1976 roku obrazy SEM pokazały, że na leukocytach na końcówkach podobnych do mikrokosmków znajdowały się receptory samonaprowadzające, które umożliwiały białym krwinkom wydostanie się z naczynia krwionośnego i dostanie się do tkanki. Od lat 90. intensywnie badano tożsamość ligandów zaangażowanych w wynaczynienie leukocytów. Ten temat w końcu można było dokładnie zbadać w warunkach fizjologicznego naprężenia ścinającego przy użyciu typowej komory przepływowej. Od pierwszych eksperymentów zaobserwowano dziwne zjawisko. Zaobserwowano, że interakcje wiążące między białymi krwinkami a ścianami naczyń stają się silniejsze pod wpływem większej siły. Stwierdzono, że w to zjawisko biorą udział selektyny (E-selekcja, L-selektyna i P-selektyna). Wymóg progu ścinania wydaje się sprzeczny z intuicją, ponieważ zwiększenie ścinania zwiększa siłę przyłożoną do wiązań klejowych i wydaje się, że powinno to zwiększyć zdolność odrywania. Niemniej jednak komórki toczą się wolniej i bardziej regularnie, aż do osiągnięcia optymalnego ścinania, gdzie prędkość toczenia jest minimalna. To paradoksalne zjawisko nie zostało dostatecznie wyjaśnione, pomimo szerokiego zainteresowania.

Jedną z początkowo odrzuconych hipotez, która zyskała zainteresowanie, jest hipoteza wychwytywania wiązań, w której zwiększona siła działająca na komórkę spowalnia szybkość dysocjacji i wydłuża czas życia wiązania oraz stabilizuje etap toczenia wynaczynienia leukocytów. Adhezja komórek wzmocniona przepływem jest wciąż niewyjaśnionym zjawiskiem, które może wynikać z zależnego od transportu wzrostu szybkości włączania lub zależnego od siły spadku szybkości odłączania wiązań adhezyjnych. Selektyna L wymaga szczególnego minimum ścinania, aby podtrzymać obracanie się leukocytów na ligandzie 1 glikoproteiny P-selektyny (PSGL-1) i innych ligandach naczyniowych. Postawiono hipotezę, że niskie siły zmniejszają dysocjację L-selektyna-PSGL-1 (wiązania typu catch), podczas gdy większe siły zwiększają dysocjację (wiązania poślizgowe). Eksperymenty wykazały, że zależne od siły zmniejszenie szybkości dysocjacji podyktowało zwiększone przepływy toczenia mikrosfer lub neutrofili zawierających selektynę L na PSGL-1. [5] Wiązania chwytające umożliwiają zwiększenie siły w celu przekształcenia krótkich czasów życia wiązań w długie okresy życia wiązań, co zmniejsza prędkość walcowania i zwiększa regularność etapów walcowania w miarę wzrostu ścinania od wartości progowej do optymalnej wartości. Wraz ze wzrostem ścinania przejścia do wiązań ślizgowych skracają czas życia wiązań i zwiększają prędkości toczenia oraz zmniejszają regularność toczenia. Postawiono hipotezę, że zależne od siły zmiany czasów życia wiązań rządzą zależną od L-selektyny adhezją komórek poniżej i powyżej optimum ścinania. Te odkrycia ustalają biologiczną funkcję wiązań chwytnych jako mechanizmu adhezji komórek wzmocnionej przepływem. Podczas gdy leukocyty wydają się podlegać zachowaniu wiązania typu catch z rosnącym przepływem prowadzącym do etapów wiązania i toczenia w wynaczynieniu leukocytów, mocną adhezję osiąga się poprzez inny mechanizm, aktywację integryn.

Inne biologiczne przykłady mechanizmu wiązania zaczepowego obserwuje się u bakterii, które ściśle przylegają do ścian dróg moczowych w odpowiedzi na duże prędkości płynów i duże siły ścinające wywierane na komórki i bakterie z przylepnymi końcówkami fimbrii. Schematyczne mechanizmy tego, w jaki sposób zwiększona siła ścinająca powoduje silniejsze interakcje wiązania między bakteriami a komórkami docelowymi, pokazują, że wiązanie chwytające działa bardzo podobnie do chińskiej pułapki na palec. Aby uzyskać wiązanie, siła działająca na komórkę ciągnie samoprzylepną końcówkę fimbrii, aby ściślej zamknąć komórkę docelową. Wraz ze wzrostem siły sił, tym silniejsze jest wiązanie między fimbriami a komórką-receptorem na powierzchni komórki docelowej. W przypadku wiązania ukrytego siła powoduje, że fimbrie obracają się w kierunku komórki docelowej i mają więcej miejsc wiązania zdolnych do przyłączenia się do ligandów komórki docelowej, głównie cząsteczek cukru. Stwarza to silniejszą interakcję wiązania między bakterią a komórką docelową.

Pojawienie się urządzeń mikroprzepływowych

Komory przepływowe z równoległymi płytkami należą do najpopularniejszych komór przepływowych stosowanych do badania interakcji leukocytów ze śródbłonkiem in vitro. Były wykorzystywane do badań od późnych lat 80-tych. Chociaż komory przepływowe są ważnym narzędziem do badania toczenia leukocytów, istnieje kilka ograniczeń, jeśli chodzi o badanie fizjologicznych warunków in vivo, ponieważ brakuje im zgodności z geometrią in vivo, w tym współczynnikiem skala/format (mikronaczynia vs modele dużych naczyń). warunki przepływu (np. przepływy zbieżne vs rozbieżne w bifurkacjach) i wymagają dużych objętości odczynników (~ ml) ze względu na ich duże rozmiary (wysokość > 250 µm i szerokość > 1 mm). Wraz z pojawieniem się urządzeń opartych na mikroprzepływach te ograniczenia zostały przezwyciężone. Nowy model in vitro, zwany siecią mikronaczyniową SynVivo Synthetic (SMN), został wyprodukowany przez CFD Research Corporation (CFDRC) i opracowany przy użyciu procesu miękkiej litografii opartego na polidimetylosiloksanie (PDMS). SMN może odtworzyć złożony układ naczyniowy in vivo, w tym cechy geometryczne, warunki przepływu i objętości odczynników, zapewniając w ten sposób biologicznie realistyczne środowisko do badania zachowania komórek wynaczynienia, ale także do dostarczania leków i odkrywania leków.

Niedobór adhezji leukocytów

Główny artykuł: niedobór adhezji leukocytów

Niedobór adhezji leukocytów (LAD) jest chorobą genetyczną związaną z defektem procesu wynaczynienia leukocytów, spowodowanym wadliwym łańcuchem β2 integryny (znajdującym się w LFA-1 i Mac-1). To osłabia zdolność leukocytów do zatrzymania i przejścia diapedezy. Osoby z LAD cierpią na nawracające infekcje bakteryjne i zaburzenia gojenia się ran. Neutrofilia jest znakiem rozpoznawczym LAD.

Dysfunkcja neutrofili

W powszechnych chorobach, takich jak posocznica, wynaczynienie leukocytów wkracza w niekontrolowany etap, w którym neutrofile z białej krwi zaczynają niszczyć tkanki gospodarza w niespotykanym dotąd tempie, pochłaniając życie około 200 000 osób w samych Stanach Zjednoczonych. Dysfunkcja neutrofili jest zwykle poprzedzona pewnego rodzaju infekcją, która wyzwala wzorce molekularne związane z patogenami (PAMP). W miarę nasilania się wynaczynienia leukocytów coraz więcej tkanek jest uszkadzanych przez neutrofile, które uwalniają rodniki tlenowe i proteazy.

Ostatnie badania z siecią mikronaczyniową SynVivo Synthetic (SMN) umożliwiły zbadanie leków przeciwzapalnych w leczeniu patologii spowodowanych dysfunkcją neutrofili. SMN umożliwia dokładną analizę każdego etapu wynaczynienia leukocytów, zapewniając w ten sposób metodologię do ilościowej oceny wpływu leku na hamowanie wynaczynienia leukocytów. Niektóre z ostatnich odkryć pokazują wpływ hydrodynamiki na interakcje neutrofil-śródbłonek. Innymi słowy, na adhezję neutrofili duży wpływ mają siły ścinające oraz interakcje molekularne. Ponadto, gdy szybkość ścinania maleje (np. w żyłkach zakapilarnych), unieruchomienie leukocytów staje się łatwiejsze, a tym samym bardziej powszechne. Prawdą jest również coś przeciwnego; naczynia, w których siły ścinające są duże, utrudniają unieruchomienie leukocytów. Ma to poważne konsekwencje w przypadku różnych chorób, w których zakłócenia przepływu krwi poważnie wpływają na odpowiedź układu odpornościowego, utrudniając lub przyspieszając unieruchomienie leukocytów. Posiadanie tej wiedzy pozwala na lepsze badanie wpływu leków na wynaczynienie leukocytów.

Przypisy

Bibliografia