Інформація призначена тільки для фахівців сфери охорони здоров'я, осіб,
які мають вищу або середню спеціальну медичну освіту.

Підтвердіть, що Ви є фахівцем у сфері охорони здоров'я.



СІМЕЙНІ ЛІКАРІ ТА ТЕРАПЕВТИ
день перший
день другий

АКУШЕРИ ГІНЕКОЛОГИ

КАРДІОЛОГИ, СІМЕЙНІ ЛІКАРІ, РЕВМАТОЛОГИ, НЕВРОЛОГИ, ЕНДОКРИНОЛОГИ

СТОМАТОЛОГИ

ІНФЕКЦІОНІСТИ, СІМЕЙНІ ЛІКАРІ, ПЕДІАТРИ, ГАСТРОЕНТЕРОЛОГИ, ГЕПАТОЛОГИ
день перший
день другий

ТРАВМАТОЛОГИ

ОНКОЛОГИ, (ОНКО-ГЕМАТОЛОГИ, ХІМІОТЕРАПЕВТИ, МАМОЛОГИ, ОНКО-ХІРУРГИ)

ЕНДОКРИНОЛОГИ, СІМЕЙНІ ЛІКАРІ, ПЕДІАТРИ, КАРДІОЛОГИ ТА ІНШІ СПЕЦІАЛІСТИ

ПЕДІАТРИ ТА СІМЕЙНІ ЛІКАРІ

АНЕСТЕЗІОЛОГИ, ХІРУРГИ

"Child`s Health" 4 (31) 2011

Back to issue

Роль местных ингибиторов протеаз в неспецифической защите респираторного тракта

Authors: Абатуров А.Е. Днепропетровская государственная медицинская академия

Categories: Pediatrics/Neonatology

print version


Summary

В обзоре представлены данные о местных ингибиторах сериновых протеаз SLPI и PI3, которые кроме антипротеазного действия выполняют и другие биологические функции. В респираторном тракте они оказывают антибактериальное, противогрибковое и противовирусное действие, модулируют активность воспалительного процесса, участвуют в ремоделировании ткани, регуляции дифференцировки клеток.

Введение

Развитие инфекционных и воспалительных процессов в легких сопровождается высвобождением и активацией большого семейства протеаз — сериновых протеаз, экстрацеллюлярных матриксных металлопротеиназ (ММР), которые играют основную роль в деградации компонентов экстрацеллюлярного матрикса, определяя характер и прогноз течения заболеваний [25, 65]. Регуляция уровня активности протеаз осуществляется многочисленными системными и местными ингибиторами, которые предупреждают чрезмерный протеолиз, поддерживая целостность органа-мишени [62]. Важнейшими ингибиторами пептидаз, функционирующих в респираторном тракте, являются: ингибитор секреторной лейкоцитарной пептидазы (SLPI), ингибитор протеиназы 3 (PI3), тканевые ингибиторы металлопротеиназ, цистатин и a1-протеиназный ингибитор, синтезируемый в печени. Три пептидазных ингибитора — SLPI, PI3, a1-протеиназный ингибитор — представляют «антиэластазный щит» легкого [25, 47].

Краткая характеристика SLPI и PI3

Представители семейства протеинов, содержащих WAP (whey acidic protein) мотив, местные ингибиторы протеаз SLPI и PI3, а также протеин, подобный ингибитору сериновой пептидазы (SPINLW1/EPPIN), генный продукт 4 человеческого эпидидимиса (HE4), протеазный ингибитор WAP2 и многие другие обладают как антипротеазной, так и антибактериальной активностью (табл. 1) [23, 63]. Дефицит SLPI и PI3 сопровождается увеличением вероятности хронизации острых респираторных инфекций и частоты обострений хронических заболеваний легких [21, 28, 81]. Гены, ответственные за синтез белков WAP-семейства, расположены на хромосоме 20q12-13.12 [15, 64].

WAP-мотив состоит из 50 аминокислотных остатков. Наличие в структуре молекулы 8 цистеиновых остатков обусловливает возникновение четырех дисульфидных связей, формирующих плотное ядро [10, 33]. Считают, что WAP является важным белковым структурным предшественником многих антимикробных пептидов [46].

В слизистой оболочке респираторного тракта, преимущественно в регионе верхних дыхательных путей, характерно присутствие местных ингибиторов сериновых протеаз — SLPI и PI3, молекулярная структура которых на 40 % соответствует друг другу. SLPI — белок с молекулярной массой 11,7 кДа, который состоит из 107 аминокислотных остатков, включая 16 цистеиновых остатков, образующих 8 дисульфидных связей (два гомологичных WAP-мотива). Молекула SLPI, по форме напоминающая бумеранг (рис. 1), содержит два терминальных домена. C-терминальный домен, функциональный центр которого сформирован аминокислотными остатками Leu72-Met73, обладает антипротеазной активностью; N-терминальный домен — антибактериальной активностью, которая связана с областью WAP-мотива [2, 20, 31, 77, 86]. Ингибитор сериновых протеаз PI3 (9,8 кДа) является представителем траппинового семейства (термин «траппин» является акронимом TRansglutaminase substrate and wAP domain containing ProteIN) и состоит из 95 аминокислотных остатков, включая 8 цистеиновых остатков, образующих 4 дисульфидные связи. N-терминальный домен (цементоин — от 1 до 38 аминокислотных остатков) обладает антибактериальной, C-терминальный домен, содержащий WAP-мотив (от 39 до 95 аминокислотных остатков), молекулы PI3 — антипротеазной и антибактериальной активностью (рис. 1) [7, 24, 63, 96]. Молекула PI3 имеет уникальное строение N-терминального домена, которое характеризуется наличием нескольких VKGQ мотивов, что позволяет ей ковалентно связываться с протеинами экстрацеллюлярного матрикса, в частности с ламинином [24, 54]. В естественных условиях от PI3 (преэлафина, траппина-2) отщепляется цементоин с образованием молекулы элафина [91].

В респираторном тракте SLPI конституционально продуцируют эпителиоциты трахеи и бронхов, бронхиолярные клетки Клара, альвеолоциты II типа, альвеолярные макрофаги, моноциты, нейтрофилы; PI3 — эпителиоциты трахеи, клетки Клара, альвеолоциты II типа, альвеолярные макрофаги [44, 63, 77, 85]. SLPI является основным ингибитором местных солютабных протеаз бронхопульмональной системы (за счет SLPI ингибируется до 50 % NE) [18]. PI3 обусловливает 20 % антиэластазной активности бронхоальвеолярной жидкости. У лиц в состоянии клинического здоровья уровень концентрации SLPI в бронхоальвеолярной жидкости колеблется в пределах 0–50 пикомоль/л, PI3 — 0–25 пикомоль/л, в сыворотке крови SLPI — 25–125 пг/мл, PI3 — 2–18 пг/мл [37, 54, 73]. В слюне физиологический уровень концентрации SLPI необычайно высок и составляет 0,1–10 мкг/мл  [61, 74]. Воспалительный процесс слизистой оболочки сопровождается индуцибельной продукцией SLPI, PI3. Показано, что у пациентов с острым респираторным дистресс-синдромом, острой пневмонией отмечается достоверно более высокий уровень концентрации SLPI, PI3 в бронхоальвеолярной жидкости [63, 73, 84].

На основании анализа активации 292 генов было показано, что индукция синтеза ингибиторов протеаз, наряду с синтезом кератинов, S-100 кальцийсвязывающих белков и цитокинов семейства IL-1, является самым ранним проявлением воспалительного процесса [88]. Синтез SLPI индуцируют липополисахарид (ЛПС), нейтрофильная эластаза (NE), дефензины, эпидермальный фактор роста (EGF) и ранние цитокины, такие как IL-1, TNF-a. Возбуждение индуцибельной продукции PI3 связано с действием NE, IL-1, TNF-a [40, 58, 59, 89, 96]. Однако чувствительность индуцибельной продукции данных ингибиторов протеаз различных клеток имеет некоторые особенности. Так, макрофаги в отличие от эпителиоцитов продуцируют SLPI в ответ на воздействие IL-6, IL-10 и не отвечают на действие IL-1, TNF-a [40]. Процессы активации синтеза SLPI, PI3 обусловлены возбуждением таких внутриклеточных сигнальных компонентов, как c-jun, p38 MAPK, фактор транскрипции NF-kB [96].

Продукция SLPI ингибируется трансформирующим фактором роста TGF-b через Smad путь [53, 62]. SLPI инактивируется катепсинами B, L и S. Все три катепсина расщепляют SLPI между остатками Thr67 и Tyr68, что приводит к потере активного участка SLPI и потере антиэластазной активности [12].

Полиморфизм гена PI3 T34P (вариабельная аллель rs2664581) ассоциирован с риском развития острого респираторного дистресс-синдрома [27]. До настоящего времени не найдены как полиморфизмы гена SLPI, так и врожденные состояния его дефицита [17].

Механизм действия SLPI и PI3

Местные антипротеазы — SLPI, PI3 — ингибируют некоторые сериновые пептидазы. SLPI является ингибитором NE, катепсина G, трипсина нейтрофилов, химазы и триптазы тучных клеток, трипсина и химотрипсина панкреатических ацинарных клеток. Однако основной молекулярной целью SLPI является NE [11]. PI3 в отличие от SLPI имеет более строгую направленность антипротеазного действия — он инактивирует NE и нейтрофильный пептидазный миелобластин/протеиназу 3 (NPM). PI3 и SLPI не обладают антигранзимной активностью [23, 64, 93].

В настоящее время у приматов идентифицировано около 500 пептидазных генов, 150 из которых кодируют сериновые пептидазы. Гены человеческих сериновых пептидаз в зависимости от хромосомной принадлежности организованы в 4 группы — 5q11.2 (GZMA/гранзим A, GZMK/гранзим К), 14q11.2 (CMA1/химаза, CTSG/катепсин G, GZMH/гранзим H, GZMB/гранзим B), 16p13.3 (TPSG/триптаза g, TPSAB1/триптаза bI&a, TPSB2/триптаза b II, TPSD/триптаза d) и 19p13.3 (NE/ELA2/ NE, DF/фактор D, PRTN3/протеиназа 3, AZU1/азурицидин, GZMM/гранзим M) [13]. Основными солютабными сериновыми пептидазами респираторного тракта являются NE и NPM, уровень продукции которых резко возрастает при заболеваниях органов дыхания. Целевыми белками сериновых пептидаз являются белки экстрацеллюлярного матрикса (коллаген, ламинин, фибронектин, эластин и др.), солютабные протеины (иммуноглобулины, компоненты комплемента, системы коагуляции крови и др.) [30, 42, 49]. Деструкция компонентов экстрацеллюлярного матрикса, особенно эластина, ведет к нарушению легочной паренхимы и развитию эмфиземы легкого. Критическим уровнем концентрации NE в сыворотке крови считают 220 нг/мл [50, 76]. Высокая чувствительность эндотелиоцитов к действию NE приводит к редукции капиллярного русла легкого [28].

Сериновые пептидазы NE и NPM, кроме деструктивного, обладают антибактериальным, провоспалительным, иммунорегулирующим, мукоактивным действиями [25].

Сериновые пептидазы NE и NPM участвуют и в антибактериальной защите макроорганизма. Показано, что NE и NPM оказывают бактерицидное действие против грамотрицательных бактерий (Klebsiella pneumoniae и Escherichia coli). NE также индуцирует продукцию антимикробного пептида — b-дефензина 2 [1, 6, 51, 52, 75].

Под влиянием NE усиливается экспрессия MUC5AC, MUC1, MUC4, но снижается эффективность мукоцилиарного механизма бронхиального дерева. NE участвует в ремоделировании респираторного тракта: индуцирует метаплазию клеток, увеличивает синтез p27 и вызывает арест клеточного цикла [94].

Пептидазы NPM и NE активно участвуют в модуляции воспалительного процесса, проявляя провоспалительные и противовоспалительные свойства. Провоспалительное действие NPM и NE обусловлено их способностью: 1) вызывать хемотаксис провоспалительных клеток через индукцию синтеза IL-8 и моноцитарного хемоаттрактного протеина 1; 2) ингибировать апоптоз нейтрофилов; 3) возбуждать рецепторы эпидермального фактора роста, протеиназактивируемые рецепторы, Toll-подобные рецепторы 4 (TLR4); 4) активировать синтез IL-1b, IL-6, TNF-a. А противовоспалительное действие связано с их способностью препятствовать адгезии нейтрофилов, расщеплять провоспалительные цитокины (IL-1b, IL-2, IL-6, TNF-a) и CD14 [43, 60].

SLPI, PI3 и ингибитор протеиназы 1a (a1-PI), подавляя активность пептидаз нейтрофилов, защищают клетки от их разрушающего действия и предупреждают развитие эмфизематоза и фиброза легкого [9, 30, 60, 92]. Помимо антипротеазного SLPI, PI3 обладают другими разнообразными физиологическими свойствами (табл. 2) [95, 96].

SLPI активно участвует в репарации эпителия слизистой оболочки (рис. 2).

По мнению Carl Nathan [48], высвобожденный из нейтрофилов, макрофагов, эпителиоцитов SLPI блокирует NE, которая обусловливает конверсию эпителиально-клеточного проэпителина (PEPI — epithelial-cell-derived proepithelin) в эпителин (EPI). Сохраненный PEPI индуцирует пролиферацию эпителиальных клеток, способствуя восстановлению эпителия. А дефицит EPI отражается на активности продукции эпителиоцитами CXC-хемокинового лиганда 8 (CXCL8; IL-8), привлекающего макрофаги. SLPI непосредственно обладает пропролиферативным, усиливая экспрессию циклина D1, и антипролиферативным действием, ингибируя Ras-путь [69].

Противоинфекционное действие  SLPI и PI3

SLPI обладает антибактериальным действием по отношению к грамположительным и грамотрицательным бактериям, противогрибковым и противовирусным действиями, PI3 — антибактериальным [2, 5, 21, 38, 61, 87]. Показано, что SLPI и PI3 активны против Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermis [7, 21, 96]. PI3 в концентрации 5–20 микромоль/л оказывает бактерицидное действие против Haemophilus influenzae, Branhamella catarrhalis [80]. Согласно данным J. Nishimura и соавт. [55], SLPI обладает мощным антимикобактериальным действием. Мыши с нокаутным геном Slpi высокочувствительны к M.tuberculosis. По всей вероятности, SLPI играет роль образраспознающего рецептора. SLPI инактивирует микобактерии, связываясь с такими их РАМР, как липоарабиноманнан и фосфатидилинозитол маннозид. Микобактерии, несущие на своей поверхности SLPI, более активно фагоцитируются, чем микобактерии, не связанные с SLPI. Однако механизм  антибактериального действия SLPI пока еще остается неизвестным [72].

Предполагают, что антибактериальная активность семейства протеинов с WAP-мотивом обусловлена положительно заряженными лизиновыми и аргининовыми аминокислотными остатками WAP-региона [2, 41]. По мнению Audrey Bellemare и соавт. [7], механизм действия антипептидазных агентов зависит от их концентрации. При низких концентрациях (< 8 микромоль/л) они оказывают бактериостатическое действие за счет C-терминального домена, ингибирующего секретируемые сериновые пептидазы оппортунистических бактерий; при высоких концентрациях проявляют бактерицидное действие за счет N-терминального домена.

Некоторые грамположительные бактерии в процессе эволюции выработали механизмы защиты от антибакте-риального действия ингибиторов пептидаз. Так, b- гемо-литический стрептококк группы A продуцирует стрептококковый ингибитор комплемента (SIC), который обладает более выраженным аффинитетом к N-терминальному домену молекулы SLPI, чем к протеолитическим сайтам SLPI, а также лизоцима и комплемента [26].

SLPI оказывает противогрибковое действие. Показано, что он подавляет рост колоний Aspergillus fumigatus и Candida albicans [96]. J.F.C. Tomee и соавт. [87] считают, что 50 % естественной антифунгальной активности слизистых оболочек связано с функционированием SLPI. K. Baranger и соавт. [80] в 2008 году показали, что и PI3 (преэлафин) обладает фунгицидным действием против Aspergillus fumigatus и Candida albicans.

SLPI проявляет и противовирусное действие. Betsy C. Herold и соавт. [14, 36] установили, что SLPI предотвращает инфицирование эпителиоцитов вирусом простого герпеса. SLPI, как протеин, связывающийся с белком скрамблазой PLSCR1, который непосредственно взаимодействует с рецептором CD4 и аннексином II на цитоплазматической мембране макрофагов, является мощным ингибитором закрепления и проникновения ВИЧ-1 в макрофаг [38, 45, 71, 84]. По мнению Colin D. Bingle и Annapurna Vyakarnam [8], изучение взаимодействия ВИЧ с белками WAP-семейства не только поможет выяснить неизвестные функции филогенетически древнего WFDC (whey four disulphide core domain), но и может стать основой для разработки новых лекарственных средств, обладающих противовирусным действием как против ВИЧ, так и против других вирусных агентов.

Влияние SLPI и PI3 на иммунную  систему

SLPI и PI3 действуют как регуляторы местного и системного воспалительного процесса [8, 67, 95].

Ингибиторы сериновых пептидаз SLPI и PI3 проявляют выраженное противовоспалительное действие [91]. Показано, что PI3 подавляет активность воспалительного процесса в условиях экспериментального инфаркта миокарда, вирусного миокардита, атеросклероза, а введение рекомбинантного SLPI снижает уровень поражения легких при экспериментальной эмфиземе легких у животных. Данные эффекты действия SLPI и PI3 нельзя объяснить только их антипротеазной активностью [96].

Одним из основных механизмов противовоспалительного действия SLPI и PI3 является ингибиция NE и NPM, которая предотвращает их провоспалительные и деструктивные эффекты [8, 9].

PI3 ингибирует миграцию провоспалительных клеток в пораженный регион легкого [3]. При некоторых условиях SLPI подавляет рекрутирование нейтрофилов и эозинофилов в очаг воспаления [83].

Основным механизмом противовоспалительных эф­фек­тов ингибиторов сериновых пептидаз SLPI и PI3 яв­ля­ется их действие на процессы распознавания патоген­ас­со­циированных молекулярных структур (РАМР) бак­те­риальных агентов и внутриклеточные сигнальные пути (рис. 3).

SLPI и PI3 принимают участие в регуляции распознавания РАМР бактериальных агентов трансмембранными TLR2 и TLR4. SLPI и PI3 обладают способностью связываться с R-формами и S-формами ЛПС грамотрицательных бактерий, конкурируя с ЛПС-связывающим протеином (LBP), который транспортирует ЛПС к CD14. Нарушение передачи ЛПС к LBP ингибирует дальнейшее связывание ЛПС с CD14 и предупреждает возбуждение TLR4 [68, 79, 81]. Catherine M. Greene и соавт. [29] было показано, что SLPI препятствует возбуждению TLR2 липотейхоевой кислотой (РАМР грамположительных бактерий), ингибируя возбуждение внутриклеточных сигнальных путей, приводящих к синтезу провоспалительных цитокинов. В частности, снижая продукцию IL-6, что обусловливает ингибицию трансформации В-клеток в плазматические клетки и активности синтеза иммуноглобулинов.

Установлено, что солютабные ингибиторы сериновых пептидаз могут импортироваться макрофагами как в цитоплазму, так и в ядро клетки [66, 78], в связи с чем противовоспалительный эффект SLPI и PI3 может быть обусловлен их непосредственным действием на внутриклеточные сигнальные пути. Показано, что SLPI и PI3, используя несколько механизмов действия, снижают активность фактора транскрипции NF-kB [16]. Так, SLPI подавляет индуцированное ЛПС или липотейхоевой кислотой возбуждение NF-kB, непосредственно взаимодействуя с энхансерсвязывающей областью NF-kB, ингибируя трансактивность p65 [66]. С другой стороны, ингибиция активности фактора транскрипции NF-kB обусловлена способностью SLPI и PI3 защищать его ингибитор IkBa как от убиквитин-протеасомно-зависимой, так и от убиквитин-протеасомно-независимой деградации [22, 29, 37, 79].

Ингибиторы пептидаз SLPI и PI3 подавляют ЛПС и IFN-g-индуцированный синтез провоспалительных медиаторов заболевания [34, 40, 65]. В частности, показано, что под влиянием SLPI и PI3 ингибируется продукция воспалительного протеина-2, ТНФ-a, IL-1, IL-6, молекул адгезии [29, 39]. SLPI подавляет высвобождение гистамина тучными клетками, уменьшает степень дегрануляции эозинофилов [32], ингибирует продукцию матриксных металлопротеиназ 1 и 9 [70].

SLPI и PI3 увеличивают продукцию противовоспалительного цитокина IL-10, а SLPI усиливает активность синтеза макрофагами и TGF-b[19, 34, 97].

SLPI ингибирует переход лейкоцитарных β2-интегринов в активную конформацию, подавляет реорганизацию цитоскелета нейтрофилов в ответ на стимуляцию IgG [4].

Ингибиторы сериновых пептидаз SLPI и PI3 оказывают и провоспалительное действие. SLPI ингибирует ЛПС-индуцированную продукцию простагландина E2, который является антиапоптотическим фактором для дендритных клеток и ингибитором продукции хемокинов CCL3 и CCL4 моноцитами и Т-лимфоцитами, тем самым поддерживая Th1-ответ [96].

Однако основное провоспалительное действие принадлежит PI3 (рис. 4). Ali Roghanian и соавт. [82] было показано, что PI3 обладает хемотаксическим действием на макрофаги и нейтрофилы. PI3 увеличивает рекрутирование провоспалительных клеток в ответ на действие ЛПС и, предупреждая деградацию CD14, усиливает ЛПС-индуцированное возбуждение макрофагов, способствуя элиминации бактериальных агентов в самом раннем периоде инфекционного процесса [56, 57, 81, 90]. В ткани легкого PI3 активирует дендритные клетки (CD11c+/MHCII+). У экспериментальных животных, получивших экзогенный PI3, в респираторном тракте наблюдалось увеличение представительства клеток CD11c+/MHCII+, которые характеризовались высокой степенью экспрессии костимулирующих молекул CD80 и CD86 [96].

PI3 способствует генерации Th1-хелперов и продукции IL-12, IFN-g, IgG2a и IgА [82], способствуя формированию Th1-ответа.

Заключение

Ингибиторы сериновых пептидаз SLPI и PI3 кроме антипротеазного действия выполняют многочисленные биологические функции. В респираторном тракте они оказывают антибактериальное, противогрибковое и противовирусное действие, модулируют активность воспалительного процесса, участвуют в ремоделировании ткани, регуляции дифференцировки клеток. Антипротеазы SLPI и PI3 в сравнении с известными антибактериальными средствами, используемыми в клинической практике, обладают множеством различных биологических преимуществ и, по мнению Jean-Michel Sallenave и соавт. [96], являются важнейшими субстратами, на основе которых будут разработаны новые антибактериальные средства.


Bibliography

Список литературы находится в редакции


Back to issue