Потенциал модуляторов систем внутренней защиты как противоинфекционных препаратов

Потенциал модуляторов систем внутренней защиты как противоинфекционных препаратов

Donna M. Easton¹, Anastasia Nijnik¹, Matthew L. Mayer^1,2 and Robert E.W. Hancock<sup>1

1</sup> Centre for Microbial Diseases & Immunity Research, Department of Microbiology & Immunology, Room 232, 2259 Lower Mall Research Station, University of British Columbia, Vancouver, BC Canada V6T 1Z4

² Faculty of Medicine, 317-2194 Health Sciences Mall, Woodward Instructional Resource Centre, University of British Columbia, Vancouver, BC Canada V6T 1Z4

Фундаментально новая стратегия при лечении инфекционных заболеваний представляет из себя модулирование иммунного ответа хозяина для усиления элиминации инфекционных возбудителей и снижения повреждения тканей, связанного с воспалением. Противомикробные пептиды иммунной системы хозяина изучали на предмет использования их потенциала в качестве нового класса противомикробных препаратов. И только недавно их иммуномодулирующую активность начали признавать. Модулирование врожденного иммунитета при помощи синтезированных пептидов защитной системы, называемых модуляторами систем внутренней защиты (МСВЗ), несет защитный эффект без непосредственного противомикробного действия. Мы обсуждаем потенциал и существующие ограничения для изучения иммуномодулирующей активности МСВЗ как новых механизмов противоинфекционной защиты. МСВЗ являются перспективными направлением исследований и настоящая работа раскрывает механистические данные, которые помогут при изучении в будущем МСВЗ для клинического применения.

Инфекционные заболевания и иммуномодулирующая терапия

Инфекционные заболевания остаются основной причиной смерти и значительного бремени для систем здравоохранения по всему миру [1]. Например, пандемия ВИЧ продолжает ежегодно забирать жизни до двух миллионов человек, при этом по расчетным данным во всем мире проживает примерно 33 миллиона человек, живущих с ВИЧ/СПИД [2], а совсем недавно появились новые патогены для человека, например, коронавирус, ассоциированный с тяжелым острым респираторным синдромом (SARS), и птичий грипп H5N1 [3]. Прочие инфекционные заболевания, включая туберкулез и заболевания ЖКТ, остаются ведущими причинами смерти [2]. Опасность также представляет распространение инфекционных возбудителей в новые географические регионы, как показывает пример недавних случаев заражения вирусом Западного Нила в Северной Америке [3]. Кроме того, быстрое развитие антибиотикорезистентности у многих бактериальных патогенов создает необходимость в срочном появлении новых противомикробных препаратов и стратегий при лечении инфекционных заболеваний [4].

Наши быстро пополняемые знания об иммунной системе создают новые возможности для разработки иммуномодулирующих методов лечения [5,6]. В отличие от стандартных антибиотиков, которые созданы с прицелом на какой-либо патоген, такие новые методы реализуют свое протективное действие посредством влияния на иммунную систему хозяина. Многие методы лечения, мишенью действия которых является иммунная система, уже вошли в клинику за последние десятилетия и еще больше находится на этапе клинических исследований.

Сюда входят и иммуносупрессивные препараты для применения при трансплантации тканей, при аутоиммунных и воспалительных заболеваниях, и соединения, разработанные с целью стимулировать иммунный ответ, например, адъюванты вакцин. Хотя на этапе исследований находится громадное количество соединений, большинство препаратов, разрешенных к применению, в настоящее время относятся к одному из следующих классов: моноклональные антитела, лиганды Toll-подобных рецепторов (TLR) и их производные, цитокины и хемокины, а также малые молекулы.

Моноклональные антитела используются в клинике для стимуляции или выключения рецепторов на клеточной поверхности, инактивации цитокинов и прочих молекул в кровоток, и доставки антигенов к дендритным клеткам либо направлении токсинов к клеткам опухоли [5]. Лиганды TLR применяются в связи с их иммуностимулирующими эффектами [7,8]. Например, лиганд TLR4 монофосфорил липид-А (MPL) используется в качестве адъюванта в вакцинах против вируса гепатита В (HBV) и вируса папилломы человека (HPV) [9,10]. Кроме того, агонист TLR7 имиквимод разрешен к применению в качестве препарата местного лечения при индуцированных HPV остроконечных кондилом и при базальноклеточной карциноме. Также на этапе клинических исследований находятся различные соединении, разработанные для стимуляции TLR3, TLR5, TLR7/8 и TLR9, в основном в качестве адъювантов для вакцин против хронических вирусных инфекций или вспомогательных препаратов при химиотерапии рака [7,8].

В качестве примера иммунотерапевтического применения цитокинов, хемокинов и гормонов можно назвать интерфероны I типа при лечении хронического гепатита В, гранулоцитарно-моноцитарный колониестимулирующий фактор (ГМ-КСФ) – для лечения нейтропении, и глюкокортикоиды – для лечения астмы и прочих хронических воспалительных заболеваниях [11]. При стандартном применении для малых молекул мишенью является пути внутриклеточной передачи сигналов [12]. Например, отторжение трансплантированного органа может быть ограничено посредством ингибирования мишени у млекопитающих для рапамицина (mTOR) при помощи рапамицина или посредством ингибирования кальциневрина при помощи циклоспорина или FK506, что приводит к подавлению передачи T-клеточных сигналов. Многие другие малые молекулы, действие которых направлено на компоненты путей передачи сигналов, например тех, в которых участвует ядерный фактор kB (NFkB), p38 митоген-активированная протеин киназа (MAPK) и трансдукторы сигнала киназы Януса и активаторы транскрипции (JAK-STAT), также проходят клинические исследования [12]. Перенос родственных дендритных клеток [13] и аутологичных цитотоксических Т-клеток [14], что является эффективным при некоторых формах рака, также можно считать иммунотерапевтическим методов лечения.

Вставка 1. Системный биологический подход к изучению иммуномодулирующей активности

Разработка лекарственных препаратов и сложные системы

Собственная иммунная система человека представляет собой очень сложную, нелинейную сетевую структуру, обладающую громадным потенциалом в отношении незначительных модификаций путей передачи сигналов, что затем приводит к выработке цитокинов с далеко идущими последствиями для дальнейших реакций в виде изменений, которые могут быть и благоприятными, однако не являются целиком предсказуемыми, желательными или контролируемыми [21]. Как недавно обсуждалось в работе Шадта и соавт. [20], прогресс в поиске и разработке лекарственных средств требует целостного подхода, принимающего во внимание нелинейные причинно-следственные связи, присущие сложным системам. Данная концепция подходит, в частности, к иммуномодуляции, поскольку процессы перекрестного взаимодействия между путями передачи сигналов в ней весьма выражены. Невозможно смоделировать целиком собственную иммунную систему человека либо in vitro, либо в виде компьютерной модели; тем не менее, системный биологический подход может помочь нам в понимании сложных взаимодействий и работы путей передачи сигналов. Попытки понять вероятные эффекты иммуномодулирующих препаратов требуют понимания связанных с этим взаимодействий в пределах иммунной системы как единого целого и их эффектов на другие крупные системы, такие как систему метаболизма и гормональные и нейрональные пути передачи сигналов.

Компьютеры как средство помощи при использовании системных биологических методов

Существует множество бесплатных и коммерческих биоинформационных инструментов и баз данных, предназначенных для поиска и анализа данных по многим аспектам биологических систем. Особый интерес при разработке иммуномодулирующих препаратов представляют те, в которых включены следующие сведения:

• 
  Интерактомные данные, относящиеся к естественному иммунитету, такие как InnateDB (www.innatedb.com), вручную заполняемая база данных и аналитическая платформа для генов, белков, взаимодействий, путей передачи сигналов и ответов на сигналы в случае естественного иммунного ответа у человека и мышей;
  
• 
  Иммунологически-специфические данные, особенно относящиеся к иммунитет-релевантному транскриптомному анализу, например, Innate Immunity Database (https://db.systemsbiology.net/IIDB);
  
• 
  Данные о путях взаимодействия, например, NCI-Nature Pathway Interac­tion Database (https://pid.nci.nih.gov); и
  
• 
  Инструменты для анализа взаимодействия конкретных белков, например, IntAct (https://www.ebi.ac.uk/intact/).
  

Разработка и использование InnateDB [51], которая включает данные из множества бесплатных баз данных и в которой имеется вручную вводимые данные о взаимодействиях, аналитические инструменты и визуализационные функции, обеспечивает возможность детального рассмотрения путей передачи сигналов и потенциальных эффектов на последующие реакции пептидных препаратов. Например, мы недавно сообщали о применении такого метода для изучения LL-37, с экспериментальной верификацией биоинформационных прогнозов [52]. По видимому, такая система может использоваться совместно с массивом генов или протеомическими данными с тем, чтобы помочь в разработке итеративного и обоснованного дизайна исследования и тестирования иммуномодулирующих пептидов посредством анализа того, как индивидуальные пептиды могут повлиять на различные пути передачи сигналов. Анализ путей передачи и онтологический анализ также могут позволить выяснить специфические биологические процессы, связанные с эффектами таких белков.
Хотя многие методы иммунотерапии разрешены к применению в клинике, а многие другие уже показали свою эффективность в клинических исследованиях, существует множество проблем, которые мешают их широкому использованию. Применение иммуносупрессивных препаратов часто связано с повышением риска развития инфекционных осложнений и может также повышать предрасположенность пациента к развитию опухолей [15,16]. Иммуностимулирующие методы лечения могут в результате привести к развитию воспалительного повреждения тканей, аутоиммунным реакциями или потенциально смертельной цитокиновой буре [17,18]. Эти риски ограничивают возможности по применению большинства иммунопрепаратов только угрожающими жизни состояниями, при которых отсутствуют методы лечения с более высокой переносимостью. Также все больше специалистов признает, что большинство состояний невозможно излечить посредством нецеленаправленной иммунной стимуляции или супрессии, что подтверждается неэффективностью иммуносупрессивной терапии при сепсисе [19]. Таким образом, нам необходимо разработать инструменты, которые позволят точно контролировать, модулировать и/или ориентировать иммунные реакции. Чтобы иметь перспективы применения в коммерческих целях, идеальные препараты также должны обладать широким спектром действия и иметь в качестве мишени целый класс связанных состояний или патогенов. Эти проблемы подчеркивают значимость изучения иммунной системы с точки зрения системной биологии, чтобы получить возможность прогнозировать исходы и эффективность применения иммуномодулирующих препаратов [20,21]. Эти вопросы обсуждаются в Таблице 1.

Пептиды защитной системы хозяина: многофункциональные медиаторы естественного иммунитета

Белки иммунной системы (БИС) (также известные под именем противомикробных пептидов) изучаются как потенциальные иммунотерапевтические препараты, поскольку они обладают уникальной комбинацией иммуностимулирующих и противовоспалительных признаков [6,22]. БИС производятся иммунной системой всех многоклеточных организмов и чрезвычайно широко отличаются и по последовательности, и по структуре. Несмотря на эти отличия, большинство пептидов представляется собой амфипатические молекулы, с общим положительным зарядом, и высоким содержанием катионных и гидрофобных аминокислот. Классы пептидов, такие как кателицидины [23], дефензины [24] и гистатины [25], различают по их последовательностям, структуре или механизму генерации. Общие свойства кателицидинов и дефензинов представлены на Вставке 2. У млекопитающих эти пептиды, как правило, производятся лейкоцитами, эпителиоцитами слизистой и кератиноцитами.

У многих БИС выявляется микробицидная активность с широким спектром либо по механизму взаимодействия с последующим разрушением микробных мембран, либо транслокации в бактериальную клетку и последующим взаимодействием с внутриклеточными мишенями [26]. Несомненно, это играет ключевую роль при реализации иммунных механизмов в некоторых локациях, например, в фаголизосомах лейкоцитов или криптах тонкого кишечника. Тем не менее, микробицидная активность пептидов имеет высокую чувствительность к противодействию бивалентных катионов, сывороточных и анионных макромолекул, таких как глюкозаминогликаны [27], и, таким образом, их иммуномодулирующая активность, вероятно, более существенна во многих прочих физиологических условиях. Иммуномодулирующая активность БИС включает в себя также и различные эффекты на миграцию клеток, выживаемость и пролиферацию, а также индукцию множества противомикробных и иммунных медиаторов.
Вставка 2. Пептиды защитной системы хозяина

Кателицидины – это катионные амфипатические пептиды разнообразной линейной, α-спиральной или β-шпилькообразной структуры, и появляются как результат протеолиза C-конца предшественника белка, содержащего кателиновый домен [23]. У человека имеется только один предшественник кателицидинов, hCAP18, который производится, в основном, в лейкоцитах и эпителиальных клетках. Он расщепляется с образованием пептида LL-37 и, в некоторых тканях, целого набора более коротких пептидов с измененными свойствами [35]. У мышей также производится только один кателицидин, CRAMP, тогда как у крупного рогатого скота и свиней пептидное семейство является весьма разнообразным.

Дефензины – это катионные амфипатические пептиды длиной примерно в 30 аминокислот и трехнитевой β-пластинчатой структурой, содержащей три дисульфидные связи [24]. На основании способа дисульфидного связывания дефензины разделяют на семейства – α-, β- и реже встречающиеся θ-дефензины. У человека α-дефензины производятся в азурофильных гранулах нейтрофилов как часть их противомикробного арсенала, и в клетках Панета крипт кишечника, а также в других лейкоцитах и эпителиоцитах, тогда как β-дефензины производятся в эпителии слизистых, коже и в некоторых лейкоцитах. Θ-дефензины – это циклические пептиды с высокой анти-ВИЧ активностью, которые не производятся у человека и пока были выявлены только у обезьян Старого Света [53].

Таблица 1. Иммуномодулирующие свойства пептидов иммунной системы млекопитающих

Клетка или тип ткани	Производство и активность пептидов	Литература
Гематопоэтические клетки
Моноциты и макрофаги	LL-37 и β-дефензины – моноцитарные хемоаттрактанты in vitro и in vivo. LL-37 обладает антиэндотоксической активностью, индуцирует продукцию хемокинов стимулирует секрецию ИЛ-1 b, но ингибирует воспалительные реакции на определенные лиганды TLR	[32,61,62]
Нейтрофилы	LL-37 и дефензины продуцируются нейтрофилами, сохраняются в гранулах нейтрофилов и выполняют важную микробицидную функцию в фаголизосомах. При внеклеточной секреции LL-37 действует как хемоаттрактант для нейтрофилов, ингибирует апоптоз нейтрофилов, супрессирует провоспалительные цитокины и стимулирует индукцию хемокинов и противомикробные функции нейтрофилов	[63,64]
Тучные клетки	Тучные клетки – важные продуценты LL-37 в коже. LL-37 и β-дефензины – это хемоаттрактанты тучных клеток и стимулируют их дегрануляцию	[65,66]
Обычные дендритные клетки	Дефензины и кателицидины – это хемоаттрактанты дендритных клеток (ДК). LL-37 стимулирует дифференцировку моноцитарных ДК, но ингибирует созревание ДК и их активацию TLR-лигандами. β-дефензин 2 может стимулировать активацию ДК как эндогенный TLR4-лиганд. Адъювантные эффекты дефензинов и кателицидинов in vivo могут опосредоваться частично благодаря их действию на ДК	[67-69]
Плазмацитоидные дендритные клетки	LL-37 в комплексе с олигонуклеотидами ДНК мощно индуцирует продукцию ИФН-α плазмацитоидными ДК. Этот эффект может быть значимым для течения псориаза	[70]
Эпителиальные клетки
Кератиноциты	LL-37 стимулирует миграцию кератиноцитов и продукцию ИЛ-8, ингибирует апоптоз кератиноцитов, модулирует ответы на TLR-лиганды, а также может обладать ранозаживляющим действием в коже. Имеются данные, что измененные процессы протеолиза hCAP18 и LL-37 могут быть вовлечены в процессы развития розацеа	[54,71,72]
Эпителий бронхов	LL-37 действует на клетки эпителия бронхов, стимулируя продукцию цитокинов и хемокинов, а также развитие апоптоза	[73,74]
Эпителий кишечника	α-дефензины производятся клетками Панета и их противомикробное действие играет важную роль в реализации механизмов иммунной защиты в кишечнике. Снижение продукции α-дефензина может быть значимым для течения болезни Крона. LL-37 стимулирует продукцию муцина и выживание эпителиоцитов кишечника	[75,76]
Прочие клетки
Сосудистый эндотелий	LL-37 индуцирует активацию и пролиферацию сосудистого эндотелия, стимулируя ангиогенез	[77]
Клетки мезенхимальной стромы	LL-37 действует как хемокин для клеток мезенхимальной стромы, стимулирует продукцию различных цитокинов, а также VEGF и MMP2; эти эффекты могут влиять на процессы ангиогенеза и прогрессирования опухолей	[57]
Раковые клетки	LL-37 стимулирует миграцию и пролиферацию клеток рака легких, яичников и молочной железы, и продукция LL-37 раковыми клетками in vivo стимулирует рост опухоли. Тем не менее, LL-37 также повышает противоопухолевую терапевтическую активность олигонуклеотидов CpG	[78,79]

Среди мишеней эффектов пептидов - лейкоциты, эпителиоциты слизистых, кератиноциты и клетки сосудистого эндотелия (Таблица1). Высокое разнообразие по последовательностям и многофункциональная природа БИС дает большие возможности для конструирования искусственных пептидов и их производных с терапевтическими целями [6,22].

Стратегии и проблемы конструирования и скрининга РВИ

Терапевтический потенциал пептидов с прямым противомикробным действием уже хорошо изучен и некоторые из таких пептидов уже находятся на этапе клинических исследований; однако иммуномодулирующее действие БИС все еще не исследовано до такой степени. Один из первых синтетических иммуномодулирующих пептидов на основании модели БИС (т.е. таковой для малого бычьего БИС, бактенецина [28]), модулятор системы внутренней защиты 1 (МСВЗ-1), может опосредовать in vivo защитные реакции против бактериальной нагрузки при отсутствии прямого противомикробного действия [29]. Было сделано предположение, что этот механизм действия включает усиленную хемокиновую продукцию вместе с модулированием эффектов провоспалительных цитокинов, таких как фактор некроза опухолей α (ФНО-α) и опосредуется посредством модулирования специфических внутриклеточных путей передачи сигналов. Такая активность представляет собой серьезное обоснование для применения БИС при разработке синтетических пептидов с оптимизированными иммуномодулирующими свойствами. Схематический обзор применяемого в настоящее время подхода к конструированию МСВЗ показан на Рис.1.

Важным аспектом для разработки иммуномодулирующих пептидов является разработка и валидация техник их скрининга. Высокопроизводительный скрининг in vitro для антибактериальной активности применяли для валидации и итеративной оптимизации научно сконструированных противомикробных пептидов [30,31]. Посредством применения больших наборов данных, что стало возможным благодаря высокопроизводительному скринингу пептидных библиотек, мы смогли идентифицировать индивидуальные физические характеристики, которые хорошо коррелируют с прямыми противомикробными эффектами. В противоположность этому, благодаря сложности взаимодействий между множеством типов клеток и эффекторных молекул, не представляется возможным скринировать малозаметные иммуномодулирующие эффекты in vitro и для выявления таких эффектов необходимо использоваться суррогатные маркеры. Вместо этого нужно использовать скрининговые методы, которые коррелируют с улучшением работы защитной системы.

Каталог: literat
literat -> Сатьянанда Сарасвати Древние тантрические техники йоги и крийи. Продвинутый курс
literat -> Паразитология 1
literat -> Бадеев Н. А. Принимаю бой «Грандиозное военно-морское предприятие русских на Балтике»
literat -> Руководство по уходу за стомой. М., 1998. Грибенков А. Л., Шептулин Л. А. Основы общего ухода за больными. М., 1991
literat -> Клинико-лабораторная оценка эффективности использования иммуномодулятора глутоксима в комплексной терапии детей, страдающих псориазом
literat -> Комплексная фармакотерапия тяжелых форм псориаза с учетом биохимических и иммунологических показателей. 14. 00. 25. фармакология, клиническая фармакология 14. 00. 11. кожные и венерические болезни
literat -> Рабочая программа учебного предмета (курса) «литература»
literat -> Эпигенетика эмбрионального развития человека
literat -> Литература 7 класс Данная программа составлена на основе федерального компонента государственного стандарта общего образования по литературе и соответствует данному стандарту, а также на основе программы по литературе Г