Гранулоцитопоэз и моноцитопоэз — это сложные, взаимосвязанные процессы, которые критически важны для поддержания нормального функционирования иммунной системы и защиты организма от инфекционных возбудителей.
Что такое гранулоцитопоэз и моноцитопоэз
Гранулоцитопоэз и моноцитопоэз — это важнейшие процессы гемопоэза, которые отвечают за образование специфических клеток крови, играющих ключевую роль в иммунной системе человека. Эти два процесса обеспечивают выработку гранулоцитов и моноцитов, относящихся к разновидностям белых кровяных клеток и выполняющих жизненно важные функции в защитных реакциях организма.
Гранулоцитопоэз представляет собой процесс формирования и созревания гранулоцитов, разделяющихся на три основных подтипа: нейтрофилы, эозинофилы и базофилы. Эти клетки производятся в костном мозге из стволовых клеток, проходя несколько стадий созревания.
Нейтрофилы, являющиеся самым распространенным типом гранулоцитов, играют ключевую роль в первой линии иммунного ответа. Они способны к фагоцитозу, что позволяет им захватывать и уничтожать бактерии и другие патогены.
Эозинофилы участвуют в ответах на аллергены и паразитарные инфекции, а базофилы, содержащие гистамин и другие медиаторы, регулируют аллергические реакции и воспалительный процесс.
Что такое гранулоциты
Гранулоциты (нейтрофилы, эозинофилы и базофилы) — это короткоживущие клетки, имеющие решающее значение как для антимикробных, так и для воспалительных реакций. Костный мозг производит их с огромной скоростью, чтобы обеспечить базовую потребность в циркулирующих клетках, выживающих в периферической крови всего от 3 до 24 часов. Он также обладает способностью резко увеличивать продукцию гранулоцитов в ответ на широкий спектр стрессов.
Продукция гранулоцитов контролируется различными цитокинами, индуцирующими программу миелоидной дифференциации посредством тщательно организованных взаимодействий множества общих и миелоид-специфических факторов транскрипции.
Онтогенез гранулоцитов
Гранулоциты дифференцируются из ранних предшественников в костном мозге в процессе, занимающем от 7 до 10 дней. Клетки проходят несколько идентифицируемых стадий созревания, в течение которых они приобретают морфологический вид и содержимое гранул, характеризующих их зрелый гранулоцит.
Самый ранний идентифицируемый предшественник гранулоцитов — миелобласт, представляющий собой малодифференцированную небольшую клетку диаметром 14-18 мкм. Переход к стадии промиелоцита связан с появлением большого количества первичных гранул. Первичные гранулы содержатся как в гранулоцитах, так и в моноцитах и содержат белки, необходимые для внутриклеточного уничтожения микробов.
За пределами стадии миелоцитов клетки созревают как неделящиеся клетки. Палочкоядерные и сегментоядерные нейтрофилы составляют более 50% от общей массы гранулоцитов, в первую очередь как пул хранения зрелых клеток в костном мозге. Только 5% от общего числа нейтрофилов циркулируют на периферии, из которых 60% находятся в селезенке и на стенках сосудов. Зрелые нейтрофилы циркулируют в периферической крови от 3 до 24 часов, а затем мигрируют в ткани, где живут от 2 до 3 дней.
Маркеры созревания гранулоцитов
Стволовые клетки характеризуются в первую очередь своим потенциалом к восстановлению костного мозга. Ранние предшественники гранулоцитов образуют гемопоэтические колонии in vitro, а их более дифференцированные потомки экспрессируют специфические белки клеточной поверхности, которые критически важны для миелоидной дифференциации и функционирования.
Они обеспечивают как адгезию предшественников в костном мозге, так и адгезию зрелых нейтрофилов к сосудам, необходимую для нормальной активации нейтрофилов.
Другие белки служат рецепторами, распознающими патогены, или стимулирующими пептидами, способствующими активации фагоцитоза и уничтожению микроорганизмов. Правильная экспрессия этих поверхностных белков играет важную роль в нормальной функции нейтрофилов, а нарушения их экспрессии связаны с широким спектром заболеваний, затрагивающих нейтрофилы.
Например, врожденные нарушения поверхностной экспрессии белков интегрина (группы белковых рецепторов на плазматической мембране, участвующих в адгезии клеток друг к другу и к поверхностям) приводят к нарушению адгезии нейтрофилов при дефиците адгезии лейкоцитов, в то время как приобретенные нарушения экспрессии тех же белков, как считается, лежат в основе аномальной циркуляции незрелых предшественников при миелопролиферативных новообразованиях.
Фенотип ранних гемопоэтических стволовых клеток — CD34+CD38−CD33−, с отсутствием специфичных для линии маркеров. Общий миелоидный предшественник, колониеобразующая единица — гранулоцит — эритроцит — макрофаг — мегакариоцит (CFU-GEMM), характеризуется совместной экспрессией CD33 (белка, трансмембранного рецептора, расположенного на поверхности миелоидных клеток).
CD33 экспрессируется на высоком уровне на коммитированных миелоидных предшественниках (клетках, имеющих определенную направленность дифференцировки в отношении миелоидного ростка гемопоэза) и на ранних предшественниках как гранулоцитарных, так и моноцитарных линий. Экспрессия CD33 уменьшается с созреванием гранулоцитов и отсутствует или почти отсутствует за пределами стадии миелоцитов.
CD33 — член иммуноглобулиновых (Ig)-подобных лектинов (сиглеков), связывающих сиаловую кислоту, опосредующих взаимодействия между клетками и клеточные сигнальные пути, участвующие в иммунных реакциях и воспалении.
Этот класс рецепторов распознает эндогенные сиалогликаны (содержащие сиаловую кислоту гликаны) как «самоассоциированные молекулярные паттерны» (SAMP), ослабляя иммунные реакции посредством цитозольного домена Src гомологии 2 (SH2), содержащего:
- тирозинфосфатазу 1 (SHP1, цитозольную нерецепторную тирозинфосфатазу, регулирующую широкий спектр клеточных функций и мишеней, модулируя поток информации от клеточной мембраны к ядру);
- тирозинфосфатазу SHP2 (фермента, связывающегося с определенными рецепторами тирозинкиназы посредством SH2 домена)
- супрессора цитокиновой сигнализации 3 (SOCS3), белка, являющегося главным физиологическим регулятором цитокин-опосредованного STAT3 сигнального каскада).
Характерные маркеры гранулоцитов, приобретаемые ранними миелоидными клетками-предшественниками, которые становятся нейтрофилами, включают CD45RA, MPO и CD38. Все они экспрессируются миелобластами.
Дальнейшая дифференциация после стадии миелоцита связана с экспрессией CD16, CD11b/CD18 (Mac-1) и CD10. Они экспрессируются на высоком уровне в зрелых нейтрофилах.
Гранулы нейтрофилов и их белки
Важнейшая часть развития гранулоцита — приобретение гранул и их белков. Достигая определенных стадий созревания нейтрофилов, эти внутриклеточные и секреторные органеллы содержат множество необходимых ферментов, опосредующих окислительные и неокислительные функции нейтрофилов.
Первичные, то есть азурофильные гранулы (более крупные, окрашенные в фиолетово-красный цвет гранулы в нейтрофилах) образуются на стадии промиелоцита и содержат широкий спектр белков, включая:
- миелопероксидазу (MPO) — гликопротеин, экспрессирующий все клетки миелоидного ряда;
- дефензины — катионные пептиды иммунной системы, проявляющие активность в отношении бактерий, грибков и многих оболочечных и безоболочечных вирусов;
- нейтрофильную эластазу (NE) и катепсины G (CG) — нейтрофильные сериновые протеазы, хранящиеся в первичных или азурофильных гранулах нейтрофилов.
Вторичные гранулы — это секреторные гранулы, образующиеся при переходе на стадию миелоцита. Вторичные гранулы нейтрофилов содержат:
- транскобаламин I — белок, доставляющий кобаламин (также известный как витамин B12) к клеткам;
- LF — человеческий лактоферрин, гликопротеин, обнаруживающийся во вторичных гранулах нейтрофилов;
- металлопротеиназы (нейтрофильную коллагеназу и желатиназу) — основные протеолитические ферменты, отвечающие за ремоделирование внеклеточного матрикса;
- NGAL (Neutrophil Gelatinase-Associated Lipocalin) — липокалин, ассоциированный с желатиназой нейтрофилов.
За исключением желатиназы, которая также экспрессируется моноцитами, экспрессия белков вторичных гранул в гемопоэтической линии ограничена нейтрофилами.
Таким образом, вторичные гранулы и синтез их содержимого — определяющий маркер перехода к терминальной стадии созревания нейтрофилов. На той же стадии эозинофилы и базофилы также приобретают характерные вторичные гранулы. Третичные гранулы, содержащие в основном желатиназу, образуются на более поздних стадиях созревания нейтрофилов. Секреторные везикулы образуются путем эндоцитоза и содержат белки плазмы.
При стимуляции нейтрофил сначала мобилизует секреторные везикулы, которые выделяют мембранные белки, в том числе многочисленные рецепторы интегрина, в плазматическую мембрану. Это усиливает клеточную адгезию за счет повышения экспрессии поверхностных интегринов в ответ на стимуляцию селектинами или медиаторами воспаления. Первичные гранулы сливаются с фагосомой и способствуют уничтожению бактерий.
Вторичные и третичные гранулы выполняют множество функций. Как и первичные гранулы, они сливаются внутри клетки с фагосомой, способствуя бактерицидной активности. Они также поставляют мембранные белки в плазматическую мембрану и рассматриваются источником поверхностного рецептора интегрина Mac-1 (CD11b/CD18), активно экспрессирующегося во время активации нейтрофилов.
Также вторичные и третичные гранулы высвобождают матриксную металлопротеиназу коллагеназу (MMP8) и желатиназу (MMP9) во внеклеточную среду, усиливая проникновение нейтрофилов в очаги воспаления. Считается, что LF и транскобаламин I способствуют противомикробному ответу, связывая железо и кобаламин соответственно. Лактоферрин также участвует в формировании внеклеточных ловушек нейтрофилов (NET), подавляя их высвобождение.
Слияние азурофильных и пероксидазонегативных гранул обеспечивает взаимное проникновение их содержимого в фагосомы. В состоянии покоя их составные белки тщательно изолированы в отдельных органеллах, что предотвращает преждевременную активацию и повреждение нейтрофилов в состоянии покоя. Когда происходит слияние гранул, содержащийся в них белок взаимодействует, вызывая антимикробный эффект.
Контроль гранулопоэза
Гранулоциты возникают из плюрипотентных гемопоэтических стволовых клеток в процессе их пролиферации и дифференцировки. Стволовые клетки — это долгоживущие клетки, способные как к самообновлению, так и к дифференцировке в специализированные клетки-предшественники.
Были предложены три модели механизма, лежащего в основе определения линии и дифференцировки плюрипотентных стволовых клеток:
- первая, или индуктивная, модель предполагает, что выбор линии и дифференцировка — результат воздействия внешних стимулов (например, факторов роста);
- вторая, стохастическая модель, делает акцент на внутренних клеточных факторах, имеющих решающее значение для кроветворения;
- третья модель объединяет в себе черты первых двух.
Предполагается, что переход от стволовой клетки к коммитированному предшественнику в значительной степени носит стохастический характер, хотя последующее созревание от предшественника до зрелого нейтрофила требует активности цитокинов.
Вопрос о том, играют ли цитокины и микроокружение костного мозга направляющую или разрешающую роль в процессе дифференцировки стволовых клеток и в стимулировании пролиферации и созревания дифференцированных предшественников, остается спорным.
Моноцитопоэз — онтогенез моноцитов и стадии дифференцировки моноцитов
Моноцитопоэз охватывает процесс образования моноцитов, которые также происходят из стволовых клеток. Моноциты, как и гранулоциты, формируются в костном мозге, но в отличие от последних, они позже покидают кровоток и проникают в ткани, где превращаются в макрофаги или дендритные клетки. Эти клетки играют важную роль в иммунном ответе, проявляя мощные фагоцитарные свойства и способствуя активации других клеток иммунной системы.
Моноциты образуются в костном мозге из промоноцитов, составляющих примерно 3% от общего числа клеток в нормальном костном мозге. Промоноциты имеют округлые ядра и базофильную цитоплазму. Дифференциация происходит быстро, со временем созревания от 50 до 60 часов, связанным с двумя раундами репликации и морфологическим созреванием, отмеченным прогрессирующей дольчатостью ядра.
Стрессиндуцированное высвобождение моноцитов происходит в основном за счет их преждевременного высвобождения из пролиферирующего пула. Выживание в крови короткое, примерно от 8 до 72 часов. Затем моноциты попадают в ткани, где они развиваются в макрофаги, которые могут выживать в течение 2–3 месяцев.
Резидентные макрофаги в тканях находятся в легких (альвеолярные макрофаги), печени (клетки Купфера), селезенке и центральной нервной системе (глиальные клетки). Моноциты также могут служить предшественниками подмножества дендритных клеток.
Дендритные клетки — антигенпрезентирующие клетки, возникающие как из миелоидных, так и из лимфоидных клеток-предшественников. Миелоидное подмножество дендритных клеток возникает из предшественника, который может альтернативно дифференцироваться в макрофаги.
Маркеры созревания моноцитов
Зрелые моноциты, как и нейтрофилы, демонстрируют высокий уровень экспрессии CD11b/CD18. После дифференцировки в макрофаги клетки приобретают экспрессию макросиалина (CD68), гликопротеина, имеющего значение в метаболизме липопротеинов. Макрофаги также экспрессируют сиалоадгезин, член семейства рецепторов, связывающих сиаловую кислоту. Он опосредует связывание с остатками сиаловой кислоты на поверхности клеток и, как предполагается, играет роль во взаимодействиях макрофагов клетка-клетка и клетка-внеклеточный матрикс.
CD14 — основной функциональный поверхностный белок линии моноцитов/макрофагов. Также он представляет собой рецептор для обнаружения бактериального липополисахарида (LPS) и считается одним из основных маркеров для моноцитов. Кроме того, исследования показали, что CD14 может играть роль в апоптозе. Моноциты содержат как первичные (пероксидаза-положительные), так и вторичные (пероксидаза-отрицательные) гранулы.
Первичные гранулы моноцитов, как и нейтрофилов, содержат миелопероксидазу. Вторичное слияние гранул с мембраной при стимуляции моноцитов приводит к повышающей регуляции Mac-1 и p150, которые, как полагают, играют роль в адгезии активированных моноцитов.
Регуляция пролиферации и дифференцировки моноцитов
Основным регулятором выработки мононуклеарных фагоцитов считается колониестимулирующий фактор 1 (CSF-1; также известный как M-CSF). Его действие опосредуется высокоаффинным рецептором тирозинкиназы CSF-1 (CSF-1R), который был впервые идентифицирован как продукт гена протоонкогена c-fms.
Альтернативный сплайсинг CSF1 приводит к образованию пяти различных транскриптов мРНК и трех изоформ белка CSF-1: секретируемого протеогликана, секретируемого гликопротеина и мембраносвязанного протеогликана клеточной поверхности.
Было показано, что IL-3, G-CSF и фактор некроза опухоли (TNF) синергизируют с CSF-1 в процессе пролиферации макрофагов. G-CSF вызывает повышенную мобилизацию моноцитов в качестве косвенного эффекта, зависящего от присутствия CSF-1.
Заболевания, связанные с нарушением гранулоцитопоэза и моноцитопоэза
Заболевания, связанные с нарушением гранулоцитопоэза и моноцитопоэза, представляют собой серьезные медицинские проблемы, так как они непосредственно влияют на защитные механизмы организма.
Гранулоцитопения — это состояние, характеризующееся снижением количества гранулоцитов в крови, возникающее по различным причинам, включая острые инфекции, недостаток питательных веществ, влияние лекарственных средств или заболевания костного мозга.
Моноцитопения также может указывать на различные нарушения, включая аутоиммунные заболевания или состояния после воздействия на организм серьезных инфекций.
Симптоматика заболеваний, связанных с нарушениями гранулоцитопоэза и моноцитопоэза, может варьироваться в зависимости от причины и степени тяжести. Часто наблюдаются рецидивирующие инфекции, затяжные воспалительные процессы, а также общее недомогание и усталость.
Диагностика таких состояний основывается на клиническом осмотре и лабораторных анализах, включая общий анализ крови, позволяющий определить уровень гранулоцитов и моноцитов, а также выявить возможные признаки воспаления.
Иногда требуется более сложное обследование, включая биопсию костного мозга, для определения эволюции клеток в костном мозге и исключения злокачественных процессов.
