Иммунитетом движет перекись

Перекись водорода выступает в роли хемоаттрактанта для лейкоцитов

Поливая ранку перекисью водорода, мы, оказывается, стимулируем миграцию лейкоцитов в очаг воспаления. Правда, клетки эпителия могут справиться с этой задачей и без нас: уже через 3 минуты после ранения они начинают синтезировать пероксид самостоятельно.

Постоянно совершенствующиеся вирусы и бактерии не дают покоя нашим защитным системам. За миллионы лет эволюции В-лимфоциты позвоночных научились синтезировать антитела, Т-киллеры безошибочно распознают мишени, судьбе которых после этого не позавидуешь, а разнообразные клетки-хелперы и регуляторы по мере надобности усиливают или ослабляют иммунный ответ.

Эшелоны обороны

Иммунная система защищает организм от инфекции в несколько этапов, при этом с каждым этапом повышается специфичность защиты. Самая простая линия защиты представляет собой физические барьеры, которые предотвращают попадание инфекции – бактерий и вирусов – в организм.

Если возбудитель проникает через эти барьеры, промежуточную неспецифическую реакцию на него осуществляет врождённая иммунная система. Врождённая иммунная система обнаруживается у всех растений и животных.

На случай, когда возбудители успешно преодолевают воздействие врожденных иммунных механизмов, у позвоночных существует третий уровень защиты – приобретённая иммунная защита. Эта часть иммунной системы адаптирует свою реакцию во время инфекционного процесса, чтобы улучшить распознавание чужеродного биологического материала. Такой улучшенный ответ сохраняется после уничтожения возбудителя в виде иммунологической памяти. Она позволяет механизмам приобретённого иммунитета развивать более быструю и более сильную ответную реакцию при каждом появлении такого же возбудителя.

Но всё это лишь вторая часть универсальной реакции, и на её развитие требуется как минимум неделя. Начинается же противостояние с неспецифичных защитных редутов: слизистые отделения, задерживающие проникновение «врагов» в организм; ферменты, разрушающие бактериальные стенки; кислая или щелочная среда; плотные контакты между эпителиальными клетками, исключающие проход любых частиц. В том же случае если целостность покровов нарушается, за дело принимаются макрофаги, которые начинают пожирать всё и вся, и нейтрофилы, превращающие небольшую рану в настоящий «пожар» за счёт активных форм кислорода, «сжигающих» почти всё живое.

Филипп Нитхаммер из Медицинской школы Гарварда и его коллеги сумели доказать, что

перекись водорода, помимо своих окисляющих свойств, выступает ещё и в роли «приманки» для лейкоцитов, которые за 20 минут покрывают расстояние в сотни микрометров, двигаясь к центру воспаления.

Работа учёных принята к публикации в Nature.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "click": "on",
    "id": "2948136",
    "incutNum": 3,
    "repl": "<3>:{{incut3()}}",
    "uid": "_uid_3206517_i_3"
}

Любое повреждение, будь то заноза, ожог, обморожение, ржавый гвоздь или асептический разрез скальпелем, приводит к развитию воспаления. Эта реакция настолько универсальна, что все её этапы изучены и расписаны буквально по часам.

А вот молекулы, заставляющие клетки мигрировать в очаг или, наоборот, покидать его, известны пока далеко не все. Поиск таких молекул затруднен из-за их, во-первых, небольшой концентрации, а во-вторых, кратковременности появления в очаге воспаления; да и прочего «мусора» там в этот момент настолько много, что выудить искомое соединение не так-то просто.

Принцип «знать, что искать» неплохо сработал для пептидов, связывающихся с характерными рецепторами на поверхности «вербуемых» клеток. Основная проблема в определении новых факторов — понять их природу.

Это стало самым трудным и в работе Нитхаммера: трудно поверить, что обычная перекись водорода может играть такую же роль, как и сложные пептиды.

Перекись, или пероксид водорода, H₂O₂

простейший представитель пероксидов. Бесцветная жидкость с «металлическим» вкусом, неограниченно растворимая в воде, спирте и эфире. Концентрированные водные растворы взрывоопасны. Пероксид водорода является хорошим растворителем. Из воды выделяется в виде неустойчивого кристаллогидрата H₂O₂*2 H₂O. следствие несимметричности молекула H2O2 сильно полярна (μ = 0,7•10^-29 Кл•м). Относительно высокая вязкость жидкого перокcида водорода обусловлена развитой системой водородных связей. Поскольку атомы кислорода имеют неподелённые электронные пары, молекула H2O2 также способна образовывать донорно-акцепторные связи.

Чистый пероксид водорода очень сильно отличается от знакомого всем 3%-ного раствора Н₂О₂, который стоит в домашней аптечке. Прежде всего, он почти в полтора раза тяжелее воды (плотность при +20°С равна 1,45 грамм на куб.см). Замерзает при температурой немного меньшей, чем температура замерзания воды, при –0,41°С, но если быстро охладить чистую жидкость, она обычно не замерзает, а переохлаждается, превращаясь в прозрачную стеклообразную массу. Растворы замерзают при значительно более низкой температуре: 30%-ный раствор – при –30°С, а 60%-ный – при –53°С. Кипит при температуре более высокой, чем обычная вода, – при +150,2° С. На коже чистый пероксид водорода и его концентрированные растворы оставляют белые пятна и вызывают ощущение жгучей боли из-за сильного химического ожога.

Перекись водорода относится к реактивным формам кислорода и при повышенном образовании в клетке вызывает оксидативный стресс. Некоторые ферменты, например глюкозоксидаза, образуют в ходе окислительно-восстановительной реакции пероксид водорода, который может играть защитную роль в качестве бактерицидного агента. В клетках млекопитающих нет ферментов, которые бы восстанавливали кислород до перекиси водорода. Однако несколько ферментных систем (ксантиноксидаза, НАД(Ф)H-оксидаза, циклоксигеназа и др.) продуцируют супероксид, который спонтанно или под действием супероксиддисмутазы превращается в перекись водорода.

Точно так же, как в конце прошлого века ныне нобелевские лауреаты поверили в оксид азота, регулирующий тонус сосудов. Справедливости ради стоит отметить, что подобную гипотезу насчет пероксида высказывали и ранее, но частично подтвердить её удалось только in vitro.

Авторы нынешней работы пошли даже значительно дальше: они доказали новую роль перекиси на примере не отдельных тканей, а целого организма, ограничившись впрочем пока лишь личинкой рыбки данио. Ещё на одноклеточной стадии эмбрионального развития в геном рыбки встроили «пероксидный сенсор», сшитый с желтым флуоресцирующим белком. В результате по интенсивности и спектру флуоресценции можно было оценить концентрацию перекиси водорода в любой ткани рыбки.

Ученые предпочли работать с хвостом, делая на нем насечки и наблюдая за изменением яркости, а вместе с ним и за миграцией в очаг воспаления лейкоцитов. «Пожар» начинался уже через 3 минуты, достигая максимума через 20. Подобный взрыв собирал лейкоциты с участка диаметром 200 микрометров, что в десятки раз превышает размер самих иммунных клеток.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "incutNum": 4,
    "picsrc": "Синтез перекиси водорода в окрестности раны на хвосте рыбки данио через 3, 17 и 61 минут (сверху вниз). Концентрация перекиси показана цветом от низкой (чёрный, синий и зелёный) до высокой (жёлтый, красный и белый). Размерная шкала – 100 микрон. // P.Niethammer",
    "repl": "<4>:{{incut4()}}",
    "uid": "_uid_3206517_i_4"
}

Но и на этом открытия Нитхаммера не закончились: ученые продемонстрировали, что перекись в тканях в первые минуты после повреждения синтезируют не специализированные клетки крови, а сами эпителиальные клетки. Делают они это благодаря ферменту duox: в его отсутствие ни перекиси, ни лейкоцитов в ране практически не обнаруживалось.

Это очередное подтверждение тому, что сигнальные системы в нашем организме могут быть гораздо проще, чем кажется на первый взгляд.

Хотя возникновение этой системы осталось за рамками исследования, не исключено, что сигнальную роль перекись приобрела вторично. Сначала покровные клетки синтезировали её для защиты от бактерий, а с появлением специализированных защитных клеток эта же молекула стала для них сигналом. Привычные же нашим клеткам защитные пептиды появились миллионы лет спустя.