Układ odpornościowy skóry

I M M U N O L O G I A
Układ
odpornościowy
skóry
Prof. dr hab. n. med.
Sławomir Majewski
Instytut Wenerologii
Klinika Dermatologiczna
AM w Warszawie
Defence System of Skin
S u m m a r y
Skin immune system constitute a protective mechanizm against infectious agents and foreign objects and,
in pathological conditions, it is responsible for various hypersensitivity (allergic) responses. On cellular
level this system consists of various cell populations including antigen presenting cells (Langerhans cells),
T lymphocytes and keratinocytes. Langerhans cells are involved in presentation of antigens to T cells, and
this is related to the expression of class I and class II MHC molecules. Keratinocytes contribute to cutaneous
immune responses by releasing various proinflammatory cytokines. Several exogenous factors, eg. ultraviolet
irradiation (UV), can affect function of skin immune system leading to the local immunosuppression. However,
some compounds can reverse the immunosuppressive effect of UV and could find practical application. From
the other hand, some cytokines, eg. interleukin-12, in addition to immunostimulatory properties, may also
enhance DNA repair processes in keratinocytes.
...........................
Pod koniec lat dwudziestych Sulzberger wykazał doświadczalnie, że pozajelitowe
podanie antygenu nie prowadzi do powstania skórnej nadwrażliwości oraz że nadwrażliwość na określony antygen spowodowana przez jego podanie na skórę nie wywołuje
reakcji alergicznych w innych niż skóra narządach. Prace Sulzbergera zostały w pełni
potwierdzone, a niemal pół wieku później nowe odkrycia w dziedzinie immunologii
naskórka znacznie wzbogaciły te hipotezę i doprowadziły do lepszego zrozumienia
patogenezy wielu chorób skóry o podłożu alergicznym, wirusowym czy też o charakterze nowotworowym. W latach 80 wprowadzono pojęcie SALT (skin-associated lymphoid tissue) oraz MALT (mucosa-associated lymphoid tissue) w odniesieniu do wyspecjalizowanych komórek układu odpornościowego w skórze i w błoniach śluzowych, które
odpowiedizalne są za miejscowe reakcje immunologiczne. Do najważniejszych komórek SALT i MALT zalicza się: komórki dendrytyczne, keratynocyty, limfocyty T, komórki
śródbłonka naczyniowego i inne (makrofagi, granulacyty, komórki tuczne, melanocyty).
Komórki dendrytyczne
Komórki Langerhansa
W skład SALT wchodzi wiele komórek dendrytycznych (KD) wykazujących wypustki różnej długości.
Czynnościowo określenie ,,komórka dendrytyczna’’
odnosi się do komórek biorących udział w prezentacji
antygenu limfocytom T (np. komórki Langerhansa).
Większość komórek dendrytycznych stwierdza się w
skórze w warunkach fizjologicznych, natomiast niektóre
z nich występują tylko w pewnych stanach chorobowych.
Komórki dendrytyczne pochodzą ze szpiku ze wspólnej
dla monocytów/makrofagów i granulocytów komórki
prekursorowej wykazującej ekspresję CD34 a w ich różnicowaniu i dojrzewaniu odgrywają rolę różne cytokiny.
Komórki Langerhansa (KL) stanowią około 3-8%
komórek naskórka. Występują one również w błonach
śluzowych jamy ustnej i w narządach limfatycznych.
W preparatach histologicznych są one widoczne jako
komórki jasne w dolnych warstwach naskórka, , barwiące się związkami złota i innych metali ciężkich. Nie
zawierają one w cytoplazmie tonofilamentów i mają filamenty pośrednie wimentynowe oraz charakterystyczne
struktury zwane ziarnami Birbecka, które biorą udział
w procesach endocytozy. Pobudzone antygenem KL
wykazują dużą aktywność metaboliczną i zawierają
związane z błoną komórkową hydrolazy: ATPazę i
Jesień 2003 ALERGIA
45
I M M U N O L O G I A
ADPazę. Ostatnio stwierdzono na powierzchni KL również
receptory dla fragmentu Fc IgE, co stwarza nowe podstawy do zrozumienia wzajemnych powiązań i zaburzeń
reakcji humoralnych oraz komórkowych w patogenezie
chorób atopowych skóry. KL kontaktują się z keratynocytami za pomocą E kadheryn, cząsteczek odpowiedzialnych
za przylegania komórek nabłonków. KL wykazują również
ekspresję receptorów dla różnych cytokin.
1
TABELA
Wybrane cytokiny produkowane przez pobudzone keratynocyty.
CYTOKINY IMMUNOSTYMULUJĄCE
- IL-1
- IL-6
- IL-8 i inne chemokiny
- IL-12
- IL-18
- TNF-α
CYTOKINY I INNE SUBSTANCJE IMMUNOSUPRESYJNE
- Antagonista receptora IL-1
- Inhibitor nadwrażliwości kontaktowej
- IL-10
- αMSH
- kwas cis-urokainowy (cis UCA)
- TGFβ
Z punktu widzenia podstawowej czynności KL, to
znaczy zdolności prezentacji antygenów, ważny jest fakt
konstytutywnego występowania na powierzchni tych
komórek antygenów MHC klasy II (HLA-DR, -DQ, -DP) i
klasy I (HLA-A, B, C). Kooperacja KL z limfocytami T jest
znacznie ułatwiona dzięki ekspresji na nich cząsteczek
adhezyjnych ICAM-1, LFA-3, B7 (CD80) oraz niektórych
integryn. Następstwem kooperacji jest pobudzanie zarówno limfocytu Th, jak i KL, która wytwarza interleukinę 1. IL-1
stymuluje inną subpopulację limfocytów T pomocniczych,
które dostarczają bodźca - interleukiny 2 niezbędnego do
proliferacji limfocytów T i różnicowania komórek efektorowych, np. limfocytów cytotoksycznych, które biorą udział w
rozmaitych reakcjach zapalnych w skórze. Stwierdzono, że
kooperacja KL z limfocytami może prowadzić do generacji
dwóch różnych typów komórek pomocniczych: Th1 lub
Th2. Bodźcem do aktywacji Th1, oprócz prezentowanego antygenu w kompleksie MHC, jest ekspresja cząstki
B7 na KL, która reaguje z CD28 na Th1. Limfocyty Th2
wytwarzają głównie IL-4, IL-10 i IL-13, które hamują reakcje
komórkowe i wzmagają wytwarzanie przeciwciał (w tym
IgE) przez limfocyty B. Pobudzenie Th2 ma podstawowe
znaczenie we wczesnych etapach atopowego zapalenia
skóry. Limfocyty Th1 wytwarzają głównie IL-2 oraz IFN-γ i
odgrywają podstawową rolę w reakcjach na alloantygeny
w przypadku odrzucania przeszczepów skóry, w mechanizmach przeciwnowotworowych i przeciwwirusowych nadzoru immunologicznego oraz w reakcjach alergicznych,
związanych z nadwrażliwością kontaktową.
46
ALERGIA Jesień 2003
Keratynocyty
Pobudzone keratynocyty wykazują zdolność do
wytwarzania wielu cytokin i czynników wzrostowych
oraz mają ekspresję różnych antygenów i cząsteczek
adhezyjnych charakterystycznych dla komórek efektorowych odpowiedzi immunologicznej. Keratynocyty
wykazują także ekspresję receptorów dla wielu cytokin.
Dlatego też keratynocyty stanowią bardzo istotną część
czynnościową SALT.
Cytokiny wytwarzane przez keratynocyty
Najważniejsze cytokiny wytwarzane przez pobudzone keratynocyty przedstawione w tabeli. Obejmują
one zarówno substancje o działaniu immunostymulującym jak i immunosupresyjnym. Również melanocyty
wydzielają wiele cytokin biorących udział w reakcjach
zapalnych i immunologicznych w naskórku.
Interleukina 1, była początkowo zwana naskórkopochodnym czynnikiem aktywującym tymocyty (epidermal
cell-derived thymocyte activating factor - ETAF). W
przeciwieństwie do monocytów, które produkują głównie IL-1β, keratynocyty uwalniają biologicznie aktywną
IL-1α. W prawidłowym naskórku IL-1 jest umiejscowiona
w przestrzeniach międzykomórkowych i jest ,,usuwana’’ w procesie złuszczania się naskórka. Śródskórne
wstrzyknięcie IL-1β wywołuje takie same morfologiczne
i czynnościowe zmiany w KL, jakie obserwuje się po
wywołaniu alergii kontaktowej, a miejscowe zastosowanie przeciwciał przeciwko IL-1β hamuje rozwój alergicznego kontaktowego zapalenia skóry.
IL-1 pobudza proliferację limfocytów T, wytwarzanie
IL-2, INF-γ, aktywuje limfocyty B oraz odgrywa istotną
rolę w regulacji melanogenezy. IL-1 pobudza uwalnianie
αMSH i ACTH w ośrodkowym układzie nerwowym oraz
wzmaga ekspresję receptora dla αMSH na powierzchni
melanocytów. Przebarwienia skóry występujące po
napromieniowaniu UV i powstałe w przebiegu procesu
zapalnego w dużej części zależą od pobudzenia melanogenezy przez IL-1.
Interleukina-6 (IL-6) wywiera wiele miejscowych i
ogólnoustrojowych efektów, w tym pobudza syntezę
białek ostrej fazy. Wiele efektów biologicznych IL-1 jest
związanych z bezpośrednim działaniem IL-6, której synteza jest pobudzana przez IL-1. Działanie przeciwnowotworowe IL-6 może zależeć od jej hamującego wpływu
na proliferację komórek niektórych nowotworów, ale
również od jej efektów immunostymulujących.
Interleukina 8 należy do grupy chemokin czyli
tzw.,,małych cytokin’’. Szczególnie dużą rolę odgrywa IL-8
w patogenezie łuszczycy i alergicznego zapalenia skóry.
Pobudzenie chemotaksji neutrofilów oraz zahamowanie
ich przylegania do śródbłonka prowadzi do nagromadzenia się tych komórek w miejscu reakcji zapalnej. IL-8,
w przeciwieństwie do IL-1 i IL-6, nie wywołuje gorączki i nie
indukuje syntezy białek ostrej fazy. IL-8 i inne tzw chemokiny wykazują różnorodne efekty biologiczne, ale najważniejsza jest ich zdolność przyciągania do naskórka
różnych populacji leukocytów: granulocytów, limfocytów T, monocytów w przebiegu wielu chorób skóry.
I M M U N O L O G I A
Pobudzone keratynocyty, podobnie jak KL, wytwarzają także IL-12, cytokinę o kluczowym znaczeniu w
różnicowaniu Th1 oraz wykazującą silne efekty przeciwnowotworowe.
Ważną cytokiną o działaniu immunostymulujacym
i pozapalnym jest również IL-18, która pobudza produkcję IFN-γ, stymuluje aktywność komórek naturalnie
cytotoksycznych oraz swoistych limfocytów T cytotoksycznych. Obie cytokiny, IL-12 i IL-18 wywierają
złożone synergistyczne efekty immunostumulujace,
przeciwnowotworowe i antyangiogenne. Kearynocyty
posiadają receptory dla obu tych cytokin.
Czynniki stymulujące tworzenie kolonii (CSF) stanowią grupę różnych cytokin, w skład której wchodzą: IL-3
(multi-CSF), GM-CSF, G-CSF, M.-CSF Biorą one udział
w różnicowaniu komórek układu białokrwinkowego oraz
w różnorodnych reakcjach zapalnych.
Bardzo ważną cytokiną produkowaną przez keratynocyty i wywierającą bardzo złożone efekty biologiczne
jest TNFα. Odgrywa on podstawową rolę w odporności przeciwnowotworowej i w patogenezie różnych
chorób skóry (np. w fazie efektorowej alergicznego
wyprysku kontaktowego). Keratynocyty mają receptor
dla TNF-α (typu I).
Oprócz cytokin o działaniu prozapalnym i immunostynulującym keratynocyty mogą produkować substancje, które w istotny sposób hamują przebieg miejscowych i ogólnoustrojowych reakcji immunologicznych.
Do najważniejszych czynników o takim działaniu należą:
inhibitor nadwrażliwości kontaktowej oraz naskórkowy
inhibitor IL-1 (antagonista receptora IL-1), który blokuje
aktywność biologiczną tej cytokiny. Ważną cytokiną o silnych właściwościach immunosupresyjnych jest wytwarzany przez pobudzone keratynocyty TGF-β. Cytokina
ta nieswoiście hamuje proliferację limfocytów T i B
oraz aktywność komórek NK. TGF-β hamuje także
wydzielanie innych cytokin (IL-1, TNF, IFN-γ) i może
wywierać autokrynowy efekt immunosupresyjny,
gdyż jest produkowany również przez limfocyty T.
Inną ważną cytokiną o właściwościach immunosupresyjnych jest IL-10. Cytokina ta jest wydzielana nie
tylko przez limfocyty Th2, ale również przez pobudzone
lub stransformowane keratynocyty. IL-10 hamuje syntezę
cytokin charakterystycznych dla Th1 (głównie INF-γ), nasila natomiast wytwarzanie przeciwciał przez limfocyty B.
Badania ostatnich lat wykazały również, że niektóre
neuropeptydy wykazują właściwości immunosupresyjne,
np. αMSH (melanocyte-stimulating hormone). αMSH antagonizuje efekty prozapalne IL-1β, IL-1α, IL-6, TNF-α oraz
indukuje wytwarzanie IL-10. Podany układowo myszom
całkowicie znosi miejscową reakcję typu nadwrażliwości
kontaktowej. Do czynników immunosupresyjnych produkowanych przez keratynocyty należą również niektóre
prostaglandyny i kwas urokainowy (urocanic acid - UCA)
Antygeny i cząsteczki adhezyjne
W warunkach prawidłowych keratynocyty wykazują
ekspresję cząsteczek MHC klasy I, oraz niektórych
integryn z rodziny β1. ICAM-1 i cząsteczki MHC klasy
II nie występują na niepobudzonych keratynocytach.
Antygeny HLA-DR oraz ICAM-1 indukowane są przez
INF-γ lub TNF-α. IFN-γ wzmaga również ekspresję
receptorów dla fragmentu Fc IgG na makrofagach i
uważa się, że cytokina ta w chorobach zapalnych zwiększa ekspresję tego receptora także na keratynocytach.
Bardzo ważne jest zjawisko indukcji antygenów
CD36 na keratynocytach. Antygen ten jest receptorem
dla trombospondyny i w warunkach prawidłowych
występuje jedynie wokół naczyń krwionośnych. W chorobach, w których przeważają reakcje typu odporności komórkowej (liszaj płaski, liszaj rumieniowy,
alergiczne zapalenie skóry, łuszczyca, chłoniak z
limfocytów T i inne), CD36 pojawia się w przestrzeniach międzykomórkowych warstwy kolczystej i jest
związany z błoną keratynocytów. Sugeruje się, że
cząsteczka CD36 bierze udział w adhezji limfocytów
T i innych komórek zapalnych do keratynocytów oraz
w nasileniu miejscowych reakcji immunologicznych.
Ostatnio wysunięto hipotezę, że keratynocyty poddane działaniu pewnych czynników zewnętrznych (promieniowanie UV, niektóre czynniki chemiczne) mogą być
zdolne do zapoczątkowania reakcji zapalnych w skórze.
Założeniem tej hipotezy jest, że bodziec zewnętrzny
powoduje bezpośrednie uwalnianie IL-1 i TNF-α co pro-
wadzi do indukcji ekspresji ICAM-1. Synteza IL-8 i IL-1
ułatwia kierunkową migrację (chemotaksję) limfocytów T
zgodnie z gradientem stężenia tych cytokin w naskórku.
Według tej hipotezy dopiero w późniejszej fazie reakcji
zapalnej miałoby nastąpić rozpoznanie antygenu (alergenu) i pobudzanie swoistych mechanizmów immunologicznych. Hipoteza ta tłumaczy różnice w przebiegu
i nasileniu reakcji swoistej nadwrażliwości na alergeny
i reakcji na nieswoiste czynniki środowiskowe (np. reakcje
na UV, nieswoisty wyprysk z podrażnienia i in.).
Immunosupresyjne działanie promieniowania
ultrafioletowego.
Poznanie roli keratynocytów, komórek Langerhansa
oraz mechanizmów ich kooperacji z limfocytami T może
stworzyć nowe podstawy leczenia wielu chorób skóry oraz
zapobiegania posłonecznemu zaburzeniu funkcji układu
Jesień 2003 ALERGIA
47
I M M U N O L O G I A
immunologicznego. Szczególnie wrażliwymi komórkami na
UVB (290-320 nm) są komórki Langerhansa. W wyniku ekspozycji skóry na UVB dochodzi do upośledzenia czynności
tych komórek, co objawia się między innymi zmniejszeniem
ekspresji antygenów HLA-DR oraz zmianami ich morfologii.
Obecność antygenowo swoistych limfocytów supresyjnych
(Ts), występująca po podaniu antygenu na uprzednio
naświetloną UVB skórę, została udowodniona w wielu układach doświadczalnych. W powstawaniu swoistych Ts po
napromieniowaniu skóry UVB ważną role może odgrywać
kwas urokainowy. Jest on pochodną histydyny, występuje
w naskórku w formie trans i jest głównym składnikiem
warstwy zrogowaciałej absorbującym UV. Po napromieniowaniu UVB dochodzi do izomeryzacji UCA i powstaje jego
forma cis. Wykazano, że cis-UCA podany miejscowo na
skórę hamuje reakcję późnej nadwrażliwości w stosunku
do antygenów wirusa opryszczki czy też alergenów kontaktowych. Mechanizm działania UCA polega prawdopodobnie na pośrednim zaburzeniu czynności KL prezentujących
antygen. Należy podkreślić, że również promienie UVA
(320-400nm) wywierają w skórze silną immunosupresję,
chociaż ich działanie jest mniej poznane.
Dodatkowymi, nieswoistymi czynnikami immunosupresyjnymi wytwarzanymi w wyniku ekspozycji na
UV są: wspomniany powyżej αMSH, IL-10, antagonista
receptora IL-1 i inhibitor nadwrażliwości kontaktowej.
Wytwarzanie antagonisty receptora IL-1 w naskórku
przebiega wprawdzie równolegle, ale z opóźnieniem
kilku godzin w stosunku do produkcji IL-1. Czynniki te
mogą stanowić ważny mechanizm kontroli zwrotnej w
przebiegu reakcji zapalnych w skórze.
Liposomy T4N5
Bardzo ciekawe i obiecujące są wyniki badań ostatnich lat, w których stosowano zewnętrznie liposomy
zawierające enzymy reperujące uszkodzone przez UV
DNA komórek naskórka i układu odpornościowego.
Jednym z takich enzymów jest endonukleaza T4, która
zmniejsza posłoneczne uszkodzenie DNA (m.in. liczbę
dimerów pirymidyny będących jednym z markerów
tego uszkodzenia). Enzym ten otrzymywany jest metodami inżynierii genetycznej i „zamkniety” w liposomach
(tzw. liposomy T4N5) bardzo dobrze penetruje wgłąb
naskórka i jest wykrywany w keratynocytach i komórkach
Langenrhansa. Wykazano, że oprócz reperacji uszkodzonego DNA w keratynocytach liposomy T4N5 zmniejszają
produkcję immunosupresyjnej IL-10. W efekcie działania
endonukleazy T4 dochodzi do zmniejszenia defektu
immunologicznego wywołanego promieniami UV. Jest
to ważne zwłaszcza u ludzi wykazujących predyspozycję
Czy można zapobiegać immunosupresyjnemu
i mutagennemu działaniu promieni UV?
Działanie immunosupresyjne promieni UV jest ważnym mechanizmem promującym rozwój raków skóry. W
wyniku przewlekłej ekspozycji na UV dochodzi do nakładania się dwóch zjawisk: uszkodzenia i mutacji komórkowego DNA (zwłaszcza w obrębie antyonkogenu p53)
oraz wspomnianej już immunosupresji. W zapobieganiu
tym niekorzystnym efektom przewlekłej ekspozycji na UV
pewne znaczenie ma oczywiście odpowiednia protekcja
(odzież, kremy zawierające filtry przeciw UVA i UVB).
Ważne działanie protekcyjne na komórki układu immunologicznego w skórze mają różne antyoksydanty, w tym
również stosowane w diecie. Wykazano, że kwas askorbinowy zmniejsza produkcję immunosupresyjnej IL-10 i
wzmaga mechanizmy odpornościowe w skórze. Tokoferol
oraz niektóre flawonoidy (frakcje polifenoli) wykazują zdolności do pobudzania aktywności komórek Langerhansa,
chociaż dokładny mechanizm tego zjawiska nie jest znany.
Interesujące jest, że także oligosacharydy niektórych roślin
(np. Aloe barbadensis) hamują efekty immunosupresyjne
UVB, m.in. poprzez zmniejszenie produkcji IL-10. Efekty te
mogą być częściowo odpowiedzialne również za działanie
przeciwnowotworowe tych substancji.
do raków skóry, gdyż właśnie u tych osób promienie UV
wywołują szczególnie duże uszkodzenie czynności układu immunologicznego w skórze. Strategia stosowania
enzymów reperujących uszkodzone DNA i „odwracających” immunosupresyjne efekty UV jest zupełnie nowym
podejściem do problemu fotoprotekcji. W odróżnieniu
od tradycyjnych filtrów przeciw UVA i UVB, które muszą
być stosowane przed ekspozycją na promienie UV,
nowej generacji substancje enzymatyczne typu T4N5
mogą być stosowane również po nasłonecznieniu. Ich
zaletą jest przede wszystkim skuteczna ochrona układu
immunologicznego skóry, której to cechy zazwyczaj nie
posiadają tradycyjne preparaty „przeciwsłoneczne”.
Badania naukowców z Kliniki Dermatologicznej w
Munster wykazały, że IL-12 może wywierać niezwykle
ważne ochronne efekty na poziomie jądra komórkowego keratynocytów. Stwierdzono, że cytokina ta indukuje
procesy reparacyjne DNA w keratynocytach uszkodzonych przez UVB. Jest to pierwszy przykład, że mediator
reakcji immunologicznych jest zdolny do wywierania
tego typu efektu w stosunku do DNA komórkowego. n
Piśmiennictwo
1. Janeway CA. Immunobiology – the immune system in health and disease. Wyd. 3, Garland, New York, 1997, 2. Majewski S. Układ immunologiczny
skóry. W: Immunologia (Jakobisiak M, red), PWN Warszawa 2001. 3. Roitt I (red). Immunology. Wyd. 5. Mosby, Londyn, 1998, 4. Stingl G. The epidermis: an immunologic microenvironment. W: Dermatology in General Medicine (Fitzpatrick T, red). McGraw-Hill, New York, 1999, 343-370
48
ALERGIA Jesień 2003