Фагоцитоз - один из самых основных и в то же время наиболее эффективных защитных механизмов человеческого организма. Правильное функционирование процесса фагоцитоза является важным компонентом правильного иммунного ответа. Узнайте, что такое фагоцитоз, как работает фагоцитоз, зачем нужен фагоцитоз и какие эффекты могут иметь нарушения фагоцитоза?
Фагоцитоз - это когда патогены, фрагменты мертвых клеток и крошечные частицы поглощаются специализированными клетками, называемыми фагоцитами. Фагоцитоз можно сравнить с «очисткой» на клеточном уровне - он позволяет клеткам избавляться от ненужных или опасных элементов.
Оглавление:
- Что такое фагоцитоз?
- Роль фагоцитоза в организме
- Какие клетки обладают способностью фагоцитозировать?
- Фагоцитоз - виды
- спонтанный фагоцитоз (так называемый нативный)
- облегченный фагоцитоз
- Фагоцитоз - стадии
- Фагоцитоз - а что дальше?
- Способы избежать фагоцитоза микроорганизмами
- Нарушения фагоцитоза
- Хроническая гранулематозная болезнь
- Синдром Чедиака-Хигаши
Что такое фагоцитоз?
Фагоцитоз - это биологический процесс, при котором чужеродные частицы поглощаются клеткой. Явление фагоцитоза характерно для многих живых организмов - самые примитивные из них (например, простейшие) используют фагоцитоз как способ получения пищи из внешней среды.
У людей способность к фагоцитозу в основном используется клетками иммунной системы.
Фагоцитоз - один из механизмов врожденного или неспецифического иммунитета. Таким образом, процесс фагоцитоза является одной из первых и основных линий защиты нашего тела. Помимо своей роли в иммунной системе, фагоцитоз имеет большое значение для поддержания гомеостаза тканей (или равновесия).
Фагоцитоз позволяет удалять мертвые и поврежденные клетки собственного тела, что, в свою очередь, обеспечивает эффективную регенерацию и реконструкцию всех тканей.
Фагоцитоз - это один из видов эндоцитоза, то есть перенос молекул из внешней среды внутрь клетки. При фагоцитозе твердые частицы абсорбируются: фагоцитарная клетка сначала окружает их фрагментом собственной клеточной мембраны, а затем втягивает внутрь. Это создает везикулу, содержащую поглощенную частицу, называемую фагосомой.
Затем содержимое фагосом переваривается различными химическими веществами и ферментами. Весь процесс напоминает «поедание» частицы клеткой, что также отражено в термине фагоцитоз.
Название происходит от греческого phagein, что означает «есть, пожирать».
В нашем организме постоянно происходит фагоцитоз - миллиарды фагоцитов постоянно «поедают» опасные микроорганизмы, фрагменты мертвых клеток или ненужные частицы. Это обычный, хотя и чрезвычайно сложный процесс.
Правильное распознавание мишени фагоцитарной клеткой и правильное взаимодействие между фагоцитом и мишенью «атаки» требует постоянного взаимодействия множества белков, сигнальных молекул, антител и вспомогательных клеток.
Роль фагоцитоза в организме
Нетрудно догадаться, что основное применение процесса фагоцитоза - защита нашего организма от патогенов. Проникновение инфекционного агента в организм запускает каскад сигналов, чтобы «вызвать» фагоцитарные клетки к месту заражения.
Начинается острое воспаление, роль которого заключается в нейтрализации возбудителя. Фагоциты попадают в очаг с кровью, являясь одним из важнейших механизмов первичного иммунного ответа. В очаге воспаления фагоциты «поедают» как патогены, так и поврежденные ими клетки.
В процессе заражения возникает еще один, очень важный вид фагоцитоза. Это так называемый эфероцитоз.
Процесс эфероцитоза заключается в заглатывании умирающих клеток по мере стихания воспаления. Как только фагоциты выполнили свою функцию и уничтожили патогены, они становятся ненужными.
Затем они умирают естественным путем, за которым следует эфероцитоз, или «уборка поля битвы». Этот тип фагоцитоза уменьшает воспаление и позволяет организму вернуться в его доинфекционное состояние.
Здесь стоит подчеркнуть, что отмирание клеток нашего тела - это непрерывный процесс, а не только в результате инфекции. Каждая клетка имеет определенную продолжительность жизни, после чего она умирает и заменяется новой. Процесс запрограммированной гибели клеток называется апоптозом.
Апоптоз - это естественное явление, которое позволяет нашим тканям постоянно обновляться. Чтобы заменить умирающие клетки на новые, их необходимо сначала очистить. Как несложно догадаться, это тоже задача фагоцитов.
Апоптотические (умирающие) клетки излучают особые сигналы на поверхности своих клеточных мембран, которые позволяют их распознавать и нейтрализовать фагоцитами.
В этом случае фагоцитоз протекает без воспаления. Итак, мы видим, что фагоцитоз - это не только метод защиты от чужеродных микроорганизмов, но также процесс, который позволяет развиваться, перестраиваться и обновляться всем тканям.
Какие клетки обладают способностью фагоцитозировать?
Клетки, способные осуществлять фагоцитоз, называются фагоцитами. В зависимости от эффективности и действенности фагоцитоза выделяют так называемые профессиональные и непрофессиональные фагоциты.
Непрофессиональные фагоциты борются с фагоцитозом «эпизодически» - этот процесс не является их основной задачей. Однако иногда поблизости от этих клеток находятся частицы / фрагменты мертвых клеток, которые требуют очистки.
Тогда они проявляют определенную фагоцитарную активность, хотя по сравнению с профессиональными фагоцитами она значительно ограничена и менее эффективна. Многие типы клеток относятся к категории непрофессиональных фагоцитов, в т.ч. эпителиальные клетки, некоторые клетки соединительной ткани, а также эндотелий сосудов.
Профессиональные фагоциты - это основные клетки, ответственные за фагоцитоз в нашем организме. Среди них мы выделяем в основном нейтрофилы, моноциты и макрофаги. Эти клетки принадлежат к семейству лейкоцитов или лейкоцитов, которые в основном выполняют иммунные функции. Все три типа профессиональных фагоцитов специализируются на фагоцитозе, хотя каждый выполняет его немного по-своему.
Нейтрофилы - основные клетки, ответственные за развитие острого воспаления. В нормальных условиях нейтрофилы циркулируют с кровью по всему телу. Когда начинается инфекция, эти клетки немедленно группируются в очаге болезни. Фагоцитоз, опосредованный нейтрофилами, протекает быстро и интенсивно: у этих клеток есть множество способов инактивировать абсорбированные патогены.
Моноциты, как и нейтрофилы, циркулируют в кровотоке, однако они могут покидать кровоток и колонизировать различные ткани. Затем зрелые моноциты превращаются в тканевые макрофаги. Фагоцитоз, опосредованный макрофагами, протекает менее быстро и намного медленнее. Макрофаги - это основной пул клеток в очагах хронического воспаления.
Фагоцитоз - виды
Фагоцитоз - сложный процесс, который зависит от типа фагоцитарной клетки, объекта, подвергающегося фагоцитозу, и многих промежуточных молекул. Существует два основных пути фагоцитоза:
- спонтанный фагоцитоз (так называемый нативный)
Это относительно медленно возникающий фагоцитоз, который редко участвует в противомикробной реакции. Роль спонтанного фагоцитоза заключается в удалении мертвых клеток и «очистке» ненужных элементов в тканях. Чтобы инициировать спонтанный фагоцитоз, необходимо стимулировать так называемый «рецепторы поглотителей» в основном присутствуют на макрофагах. Этот вид фагоцитоза носит противовоспалительный характер.
- облегченный фагоцитоз
Облегченный фагоцитоз намного быстрее и эффективнее, чем спонтанный фагоцитоз. Благодаря этому он очень эффективен в уничтожении болезнетворных микроорганизмов. Для того, чтобы процесс фагоцитоза протекал так интенсивно, необходимы - как следует из названия - некоторые средства.
Как фагоциты могут облегчить свою деятельность? Один из самых распространенных методов - специальная «маркировка» объектов, от которых следует избавляться. Этот процесс называется опсонизацией.
Суть опсонизации заключается в прикреплении определенных молекул к поверхности микроорганизма. Этот «помеченный» патоген быстро поражается пищевыми клетками. Молекулы, обеспечивающие опсонизацию, называются опсонинами. В основном это антитела и компоненты так называемого система дополнения.
Опсонины эффективно распознают патогены, маркируют их и тем самым значительно облегчают течение процесса фагоцитоза.
Фагоцитоз - стадии
Мы уже знаем, какие клетки, когда и почему участвуют в фагоцитозе. Итак, попробуем внимательно проследить за этим процессом:
1. Активация и приток фагоцитов к очагу инфекции.
Проникновение микроорганизма в организм вызывает немедленную стимуляцию иммунной системы. Клетки в воротах инфекции начинают посылать сигнал о существующей угрозе.
Молекулы-посредники (в основном так называемые провоспалительные цитокины) распространяются по кровотоку. Таким образом фагоциты «узнают», что они инфицированы, и активируются.
Активированные фагоциты достигают места заражения с кровью. Эффективный приток фагоцитов в нужное место возможен благодаря так называемой хемотаксис. Это процесс направленного движения клеток под действием химических сигналов.
Активные фагоциты также обладают способностью проходить через стенки кровеносных сосудов, создавая воспалительный инфильтрат в месте инфекции.
2. Распознавание возбудителя.
Когда фагоциты достигают места заражения, они начинают распознавать патогены. Этому процессу часто способствуют другие молекулы (см. Раздел 4 для облегчения фагоцитоза). Каждый фагоцит имеет на поверхности клеточной мембраны так называемый рецепторы, то есть белки, которые позволяют распознавать различные молекулы.
Когда рецепторы, отвечающие за распознавание микроорганизмов, стимулируются, фагоцит тесно связывается с целью его атаки.
3. Поглощение возбудителя.
«Прилипший» к возбудителю фагоцит начинает процесс его абсорбции. Клеточная мембрана фагоцита начинает окружать возбудителя, «взбираясь» по его краям. Это создает везикулу, содержащую микроорганизм. Эта везикула, называемая фагосомой, теперь находится внутри фагоцитарной клетки. Чтобы полностью обезвредить микроорганизм, необходимо уничтожить содержимое фагосомы.
Переваривание содержимого фагосом
Для того, чтобы содержимое фагосомы переварилось, необходимо доставить пищеварительные ферменты в ее внутреннюю часть. Такие ферменты хранятся в специальных везикулах, называемых лизосомами.
Следовательно, последняя стадия фагоцитоза требует сочетания содержимого лизосом с содержимым фагосомы - так называемый фаголизосома.
Ферменты в лизосомах могут расщеплять самые сложные химические вещества, уничтожая микроорганизмы. Устранение возбудителя с участием пищеварительных ферментов называется кислороднезависимым.
Как нетрудно догадаться, существует также кислородзависимое выведение. Это намного быстрее и эффективнее, но только некоторые фагоциты могут это сделать. Кислород-зависимое выведение происходит только в клетках, способных производить так называемый «кислородный взрыв».
Кислородный взрыв - это внезапное высвобождение высокореактивных форм кислорода (например, перекиси водорода), обладающих сильным антимикробным действием. Кислородный взрыв запускает серию химических реакций, ведущих к быстрому устранению патогенов. Кислородозависимое уничтожение микробов характерно прежде всего для нейтрофилов.
Фагоцитоз - а что дальше?
Процесс фагоцитоза завершается перевариванием содержимого фагосомы внутри клетки. Что происходит рядом с обломками разрушенных частиц? Фагоцитарная клетка избавляется от большинства ненужных продуктов, просто «выбрасывая» их наружу. Однако часть материала, оставшегося после переваривания, может быть очень полезной.
Некоторые фагоциты также играют другие роли в иммунной системе. Хорошим примером являются макрофаги, которые помимо фагоцитоза также имеют дело с так называемыми презентация антигенов. Презентация антигена основана на демонстрации других иммунных клеток фрагментов разрушенных микроорганизмов.
После окончания фагоцитоза патогена макрофаг обнажает часть фагоцитарного материала на своей поверхности, а затем «путешествует» с ним по всему телу.
Каждая отдельная клетка иммунной системы, с которой она сталкивается, «учится» распознавать определенный патоген. Это явление чрезвычайно важно для построения эффективных механизмов противомикробной защиты.
Также стоит знать, что процесс фагоцитоза не всегда заканчивается окончательным уничтожением микроорганизма. Есть патогены, которые могут выжить внутри фагосом благодаря специально разработанным защитным механизмам. Хорошим примером являются бациллы туберкулеза, которые могут выжить в макрофагах в течение многих лет.
Способы избежать фагоцитоза микроорганизмами
Фагоцитоз как средство устранения «биологических противников» - очень старый механизм. По этой причине некоторым микроорганизмам удалось развить способы избежать фагоцитоза или выжить. Вот их примеры:
- убивая фагоциты
Самый простой способ избежать фагоцитоза - это нейтрализовать вызывающую его клетку. Некоторые микроорганизмы обладают способностью производить вещества, необратимо повреждающие фагоциты. Примером такого возбудителя является золотистый стафилококк (лат. Золотистый стафилококк), продуцирующие токсины, которые, разрушая клеточные мембраны фагоцитов, вызывают их гибель.
- угасание воспалительной реакции
Воспаление в воротах инфекции облегчает передачу сигнала инфекции. Благодаря этому возможна активация и прибытие фагоцитов в нужное место. Есть патогены, которые могут маскироваться таким образом, чтобы не распознаваться иммунной системой хозяина и не вызывать воспаление.
- избегая опсонизации
Опсонизация или специальная «маркировка» патогенов - один из наиболее эффективных способов облегчить фагоцитоз. Неудивительно, что микробы пытаются этого избежать. Некоторые штаммы стафилококков могут разрушать опсонины или скрывать их на своей поверхности.
- избегая распознавания фагоцитов
Чтобы начался процесс фагоцитоза, необходимо распознать вредоносность данного микроорганизма по фагоциту. Некоторые патогены, например спирохеты. Бледная трепонема Причины сифилиса могут прикреплять к своим поверхностным антигенам аналогично клеткам-хозяевам. Затем иммунная система распознает их как свои собственные, что позволяет патогенам избегать фагоцитоза.
- блокировка производства фагосом
Один из ключевых этапов фагоцитоза - окружение атакованного микроорганизма пузырьком, который затем всасывается в клетку. Однако в природе есть много способов избежать этого. Некоторые микробы производят вещества, разрушающие стенку фагосомы. Другой механизм использует палочка голубого масла (Синегнойная палочка). Эта бактерия образует вокруг себя скользкое покрытие (биопленку), предотвращающее образование пузырей.
- выживание внутри фагоцита
Фаголизосома становится последней средой обитания патогенов во время фагоцитоза. Его окружение крайне враждебно; он полон ферментов и смертельных веществ. Однако у микроорганизмов могут развиваться механизмы, позволяющие им выживать даже в таких сложных условиях. Одним из примеров является туберкулез (Микобактерии туберкулеза). Эта бактерия разработала особую клеточную мембрану с очень высоким содержанием липидов, на которую не влияют стандартные пищеварительные ферменты.
- побег из фагосомы
Каким бы невероятным это ни звучало, побег из фагосомы действительно существуют микробы, которые разработали такой умный защитный механизм. Listeria monocytogenes производит вещества, которые могут разрушить стенку фагосомы. Более того, этот патоген, вырвавшись из фагосомы, может размножаться внутри фагоцита, а также выходить дальше за его пределы.
Нарушения фагоцитоза
Правильно протекающий процесс фагоцитоза имеет фундаментальное значение для эффективного функционирования иммунной системы. Нарушения определенных стадий фагоцитоза лежат в основе иммунодефицитных заболеваний. Примеры таких условий:
- Хроническая гранулематозная болезнь
Причина хронической гранулематозной болезни - нарушение фагоцитоза на стадии генерации кислородного выброса. Отсутствие соответствующего фермента (так называемой НАДФН-оксидазы) предотвращает образование активных форм кислорода, что, в свою очередь, не позволяет быстро и эффективно уничтожить микроорганизмы.
Повреждение ферментом является генетическим, поэтому пока нет причинного лечения болезни. Хроническая гранулематозная болезнь вызывает частые инфекции и образование абсцессов и гранулем из-за неадекватной системы внутриклеточного устранения патогенов.
Читайте также: Гранулематоз Вегенера: причины, симптомы и лечение
- Синдром Чедиака-Хигаши
При синдроме Чедиака-Хигаши наблюдается дефект фагоцитоза на стадии соединения фагосома-лизосома. Генетическая мутация одного из белков предотвращает перенос пищеварительных ферментов в везикулу, содержащую патоген, тем самым предотвращая его элиминацию.
Помимо значительного снижения иммунитета, для синдрома Чедиака-Хигаши характерны также альбинизм и нарушения нервной системы.
Библиография:
- «Фагоцитоз: фундаментальный процесс в иммунитете» К. Розалес, Э. Урибе-Кверол, Biomed Res Int. 2017
- "Контроль фагоцитоза микробными патогенами" К. Розалеса, Э. Урибе-Кверол Фронт Иммунол. 2017 г.
- "Иммунология" К.Брынярски, Edra Urban & Partner Wrocław 2017, 1-е издание
- «Фагоцитоз: иммунобиологический процесс» С. Гордон, Иммунитет, обзор, том 44, выпуск 3, P463-475, 15 марта 2016 г.
Прочитать больше статей этого автора
