От туберкулеза ежегодно умирает более миллиона человек. Однако большинство людей, зараженных Mycobacterium tuberculosis, не заболевают — инфекция остается скрытой. Это делает особенно важным понимание того, какие механизмы иммунной системы позволяют сдерживать возбудителя, а какие приводят к развитию болезни.
Модели для изучения туберкулеза: устойчивые и восприимчивые мыши
Мыши часто служат моделью для изучения туберкулеза. Большинство лабораторных линий — например, C57BL/6, хорошо контролируют инфекцию, и в течение нескольких месяцев у них не развиваются некротические поражения легких, характерные для человека. Тем не менее, эксперименты на этих мышах помогли выявить пути и клетки, необходимые для защиты от M. tuberculosis, включая IL-12, ИФН-γ, CD4+ Т-клетки и TNF-α.
У мышей штамма C3HeB/FeJ, напротив, заболевание развивается тяжелее: бактерии активно размножаются, а в легких развиваются некротические поражения, напоминающие патологию туберкулеза у человека.
Интерферон I типа и нейтрофилы: роль в патогенезе туберкулеза
Исследования показали, что при активном туберкулезе у человека в крови повышается активность генов, стимулированных интерфероном I типа (ISG). Аналогичные процессы наблюдаются у восприимчивых мышей C3HeB/FeJ, инфицированных M. tuberculosis. В этой модели устойчивая передача сигналов ИФН I типа приводит к увеличению роста бактерий и тяжести заболевания. У устойчивых мышей C57BL/6, несущих участок генома от восприимчивых, также наблюдалось зависимое от ИФН I типа увеличение патологии легких и бактериальной нагрузки. Важную роль в этом процессе играют ген Sp140 и активность моноцитарных макрофагов (MDM) — клеток, которые одновременно производят ИФН I типа и реагируют на его сигналы.
Кроме того, важную роль в патогенезе туберкулеза играют нейтрофилы. На поздней стадии туберкулеза наблюдается повышение уровня нейтрофилов дыхательных путей. А связанное с нейтрофилами усиление активности пути ИФН-I коррелирует с тяжестью туберкулеза. Напротив, истощение нейтрофилов ослабляет воспаление. Нейтрофилы особенно восприимчивы к заражению M. tuberculosis и являются наиболее распространенными инфицированными клетками в образцах дыхательных путей при активном туберкулезе. Однако механизмы, с помощью которых нейтрофилы способствуют патогенезу туберкулеза на протяжении инфекции, до конца не изучены. Также неясно, влияет ли ИФН-I на рекрутирование нейтрофилов, активацию, межклеточные взаимодействия и пространственную организацию при поражениях M. tuberculosis.
Связь между ИФН-I, нейтрофилами и CD4+ Т-клетками
Ученые из Института Фрэнсиса Крика (Великобритания) обнаружили, что у устойчивых мышей C57BL/6 на ранних сроках после заражения M. tuberculosis активность ISG выше, чем у восприимчивых мышей C3HeB/FeJ. Это сопровождалось более быстрой колонизацией легких бактериями и ранним формированием поражений — еще до того, как в них успели накопиться защитные CD4+ Т-клетки.
Анализ клеточного состава показал, что у устойчивых мышей на ранних стадиях после заражения быстрее растет численность макрофагов и CD4+ Т-клеток, экспрессирующих Ifng, тогда как у восприимчивых мышей преобладают воспалительные нейтрофилы. При этом чем больше в поражениях CD4+ Т-клеток, тем меньше нейтрофилов, и наоборот. Это соотношение меняется со временем и зависит от активности сигналов ИФН I типа. Подавление зависящих от ИФН-I ответов нейтрофилов способствовало накоплению CD4+ Т-клеток в туберкулезных поражениях, при этом передача сигналов ИФН-I препятствовала раннему контролю M. tuberculosis у обеих линий мышей.
Ранние различия иммунного ответа на инфекцию M. tuberculosis у устойчивых и восприимчивых мышей
У устойчивых мышей наблюдается более быстрый легочный иммунный ответ на инфекцию M. tuberculosis, чем у восприимчивых, с большим вкладом эффекторных Т-клеток и активированных макрофагов, тогда как у восприимчивых иммунная реакция замедлена и смещена в сторону провоспалительного нейтрофильного ответа.
У устойчивых мышей через 21 день после заражения наблюдался временный рост бактериальной нагрузки с последующим частичным контролем, тогда как восприимчивые мыши были не способны сдержать инфекцию к 26 дню. Неожиданно, на 14-й день бактериальная нагрузка в легких устойчивых мышей оказалось выше, что указывает на различия в очень раннем ответе на инфекцию между этими линиями мышей.
У устойчивых мышей уже к 14-му дню усиливалась экспрессия генов, связанных с активацией макрофагов, передачей сигналов провоспалительных цитокинов, презентацией антигена и активностью эффекторных T-клеток, а также некоторых ISG. У восприимчивых мышей экспрессия этих генов не увеличивалась до 21-го дня. И только после 21 дня у этих мышей существенно увеличивалась экспрессия генов, связанных с активацией нейтрофилов и воспалительных миелоидных клеток.
Нейтрофильная инфильтрация легких у обеих линий мышей и задержка накопления моноцитарных макрофагов и CD4+ Т-клеток у восприимчивых мышей
После заражения M. tuberculosis нейтрофилы быстро рекрутируются в легкие как устойчивых мышей, так и восприимчивых. Однако у устойчивых мышей ранний иммунный ответ сопровождается активным накоплением зрелых моноцитарных макрофагов (MDM) и CD4+ Т-клеток, экспрессирующих ИФН-γ, тогда как у восприимчивых мышей эти клетки появляются значительно позже.
Таким образом, у восприимчивых мышей задержка активации MDM и Т-клеточного звена иммунитета может способствовать прогрессированию инфекции, несмотря на раннюю нейтрофильную реакцию, общую для обеих линий.
Различия хемокиновых сигналов у устойчивых и восприимчивых мышей на ранних стадиях инфекции Mycobacterium tuberculosis
У устойчивых мышей на ранних стадиях инфекции активируются хемокиновые пути CXCL9/10-CXCR3 и CXCL16-CXCR6, обеспечивающие рекрутирование CD4+ Т-клеток и их взаимодействие с макрофагами.
У восприимчивых мышей эти сигналы появлялись позже, а к 20-му дню преобладала активность путей CXCL2-CXCR2 и CCL3/4, связанных с привлечением воспалительных нейтрофилов.
Таким образом, у устойчивых мышей ранние хемокиновые сигналы направлены на формирование защитного Т-клеточного ответа, тогда как у восприимчивых поздняя активация нейтрофильных путей коррелирует с прогрессированием воспаления.
Нейтрофилы ограничивают активацию макрофагов и накопление CD4+ Т-клеток в легких мышей, восприимчивых к туберкулезу
У восприимчивых мышей истощение нейтрофилов с помощью антител снижало бактериальную нагрузку и усиливало накопление активированных моноцитарных макрофагов в легких. Одновременно возрастало число CD4+ Т-клеток и их контактов с макрофагами в туберкулезных поражениях.
Таким образом, нейтрофилы у восприимчивых мышей ограничивают активацию макрофагов и инфильтрацию CD4+ Т-клеток, а их истощение способствует более эффективному контролю инфекции Mycobacterium tuberculosis.
Устойчивые мыши демонстрируют раннюю активацию ответа ИФН I типа и защитных цитокинов при инфекции M. tuberculosis
У устойчивых мышей на ранних стадиях инфекции наблюдалась повышенная активность путей TNF и ИФН-γ по сравнению с восприимчивыми. TNF у устойчивых мышей продуцировался как нейтрофилами, так и макрофагами, и CD4+ Т-клетками, а у восприимчивых — провоспалительными нейтрофилами. Таким образом, передача сигналов TNF-α играет важную роль в контексте защиты и патогенеза.
Также у устойчивых мышей наблюдалась более высокая ранняя экспрессия генов, стимулированных ИФН I типа, преимущественно в MDM и нейтрофилах. У восприимчивых мышей этот ответ возникал позже и был связан с провоспалительными нейтрофилами.
Таким образом, в отличие от более позднего, высокого и устойчивого ответа ИФН I типа, наблюдаемого у восприимчивых мышей, устойчивые к туберкулезу мыши демонстрируют более высокий ранний ответ ISG, который стабилизируется во время повышенного накопления эффекторных Т-клеток в легких через 3 недели после заражения.
Передача сигналов ИФН I типа ограничивает ранний контроль M. tuberculosis у обеих линий мышей, хотя эффекты у устойчивых мышей позже ослабевают
Блокада рецептора IFNAR показала, что сигналы ИФН I типа на ранних стадиях инфекции способствуют росту M. tuberculosis у обеих линий мышей. У устойчивых мышей ранняя блокада IFNAR снижала бактериальную нагрузку и количество нейтрофилов, повышая долю зрелых MHC-II+ MDM, однако эффект уменьшался к 28-му дню.
У восприимчивых мышей блокада IFNAR также снижала бактериальную нагрузку, при этом защитный эффект был еще более выраженным на 26-й день. Ранняя блокада IFNAR не оказывала существенного влияния на общее количество нейтрофилов, MDM и CD4+ Т-клеток в легких, но количество MHC-II+ MDM было увеличено.
Таким образом, ранняя передача сигналов ИФН I типа ограничивает контроль инфекции у обеих линий мышей, но у устойчивых мышей ее негативное действие компенсируется развитием CD4+ Т-клеточного ответа, тогда как у восприимчивых оно сохраняется и способствует прогрессированию заболевания.
Передача сигналов ИФН I типа способствует накоплению нейтрофилов и ограничивает накопление CD4+ Т-клеток в туберкулезных поражениях у обеих линий мышей — и устойчивых, и восприимчивых
Ранняя блокада IFNAR показала, что сигналы ИФН I типа способствуют накоплению нейтрофилов и одновременно ограничивают инфильтрацию CD4+ Т-клеток в туберкулезные поражения у обеих линий мышей.
После подавления сигналов ИФН I типа в поражениях снижалось количество нейтрофилов и увеличивалось количество CD4+ Т-клеток и их контактов с макрофагами. У восприимчивых мышей это сопровождалось уменьшением нейтрофильных внеклеточных ловушек и высокой степенью защиты на поздних сроках.
Таким образом, блокада ранней передачи сигналов ИФН I типа увеличивает отношение CD4+ Т-клеток к нейтрофилам в туберкулезных поражениях у мышей обеих линий. Это позволяет предположить, что ранняя передача сигналов ИФН-I при инфекции M. tuberculosis способствует накоплению нейтрофилов и ограничивает инфильтрацию CD4+ Т-клеток в развивающиеся поражения. При этом сроки и масштаб этого эффекта различаются у восприимчивых и устойчивых мышей.
Блокада рецептора ИФН I типа частично уменьшает сигнатуры экспрессии генов тяжелого туберкулеза у восприимчивых мышей
У восприимчивых мышей на пике заболевания устойчивый ответ ИФН-I усиливает экспрессию генов, связанных с прогрессированием тяжелого туберкулеза: генов провоспалительных нейтрофилов (Cxcl2, Ccl3, Ccl4), а также Il36g, кодирующего цитокин IL-36γ, который участвует в воспалительных реакциях слизистых.
С другой стороны, блокада IFNAR увеличивала экспрессию генов, связанных с презентацией антигена и Т-клеточным ответом (H2-Ab1, Cd28, Cxcl9, Cxcr3 и Il12rb2).
Таким образом, передача сигналов ИФН-I вносит существенный вклад в провоспалительный ответ нейтрофилов у восприимчивых мышей, включая повышение провоспалительных хемокинов Ccl3, Ccl4 и Cxcl2, а также ограниченную экспрессию эффекторного хемокина Cxcl9 Т-клетками, что наблюдается при прогрессировании заболевания. Напротив, блокада IFNAR способствует накоплению CD4+ Т-клеток в туберкулезных поражениях.
Вывод
Ранний иммунный ответ на M. tuberculosis принципиально различается у устойчивых и восприимчивых мышей. У устойчивых мышей быстрее активируются MDM, CD4+ Т-клетки и защитные пути ИФН-γ, TNF-α и Cxcl9/Cxcl10, тогда как у восприимчивых наблюдается задержка этих процессов и формируется устойчивый ИФН-I-зависимый воспалительный профиль.
У обеих линий мышей на ранних сроках инфекции ИФН-I увеличивал бактериальную нагрузку и уменьшал взаимодействие CD4+ Т-клеток с макрофагами. Блокада IFNAR снижала нейтрофильное воспаление, усиливала накопление CD4+ Т-клеток в поражениях и улучшала контроль инфекции. У восприимчивых мышей она также подавляла сигнатуры воспалительных нейтрофилов, связанные с тяжелым течением туберкулеза.
Источник
Type I IFN drives neutrophil swarming, impeding lung T cell–macrophage interactions and TB control
