Воспаление в организме. (Лекция 4-5) презентация

не справилась с инфекцией или повреждением.

При воспалении защиту осуществляет весь организм.

секретировать
медиаторы воспаления
(ФНО-α, ИЛ-1, ИЛ-6, ИЛ-8 и др.)

сосуды

В результате изменения сосудов из крови в пораженную ткань выходят защитные молекулы и клетки. В этом суть реакции воспаления.

сосуды

Цитокины

NO и ROS,
которые активируют эндотелий ближайших кровеносных сосудов

размеров. В ответ на сигналы из очага инфекции из крови выходят лейкоциты, которые направляются прямо в очаг инфекции Пример – кровеносные сосуды в ворсинке кишечника. От эпителия до ближайших капилляров и венул – расстояние, равное 2-5 размерам клеток (от 20 до 50 мкм).

где выполняют защитные функции

Источник хемокинов -
активированные макрофаги, тучные
и другие клетки в очаге инфекции

molecules

молекулы внеклеточного матрикса

имеют сродство к определенным олигосахаридным структурам

Лектиновый
домен

Домен
ФРЭ

Домен
CCP

определяются взаимодействием другой пары молекул –
интегрина и лиганда интегрина (CAM, от cell adhesion molecules)

и с внеклеточным матриксом

Сайт
связывания
лиганда

cell– cell and cell– extracellular matrix contact, are composed of two non-covalently bound subunits ( α and β ). Two examples of a subunit are shown. The stalk region of the α -subunit comprises two calf domains and a thigh domain. The protein articulates at the border of calf-1 and thigh, the PSI and hybrid domain of the β -subunit being pushed outward in a switchblade movement. This plays an important role in the activation process. The heads contain various subdomains of which the β -propeller (on the α -subunit) and β 1 -domain (on the β -subunit) assure the association of the two subunits. (b) Molecular structure of α V and β 3 . Depending on the type of integrin, ligand recognition either occurs through the β 1 -domain or through the α I-domain (in α L ). Yellow spots indicate divalent metal ions; PSI, plexin 7 integrin domain; β TD, β -tail domain; EGFD, EGF-like domain (1jv2).

когда лейкоцит «натыкается» на хемокин или другой активатор,
иммобилизованный на поверхности эндотелия.
Сильные взаимодействия с эндотелием позволяют лейкоциту
распластаться и ползти.

Источник хемокинов -
активированные макрофаги, тучные
и другие клетки в очаге инфекции

IL-8 (хкмокин)

который изменяет аффинность интегрина,
меняя положение β-цепи интегрина

a closed headpiece and is low affinity. Extension at the α- and β-knees releases an interface between the headpiece and lower legs and yields an extended-closed conformation also with low affinity. Swing-out of the hybrid domain at its interface with the βI domain is connected through the βI α7-helix to rearrangements at the βI interface with the β-propeller domain that greatly (~1,000-fold) increase affinity for ligand in the extended-open conformation. Similar interdomain rearrangements in αI integrins result in activating a binding site for an internal ligand, Glu310 in αL, which pulls down the αI α7-helix to activate a similar increase in affinity (~1,000 to 10,000-fold) of the αL I domain for the ligand ICAM-1. Although the integrin headpiece has highly preferred closed and open conformations, the lower β-legs are highly flexible, and thus we speak of “overall” conformational states. This is symbolized by the dashed lower β-leg. Therefore, only very large separations between α and β TMD, such as induced by lateral motion of β when its cytoplasmic domain is associated with the actin cytoskeleton, can be transmitted through the floppy β-leg to stabilize the high-affinity, open
headpiece conformation. Curr Opin Cell Biol. 2012 February ; 24(1): 107–115. doi:10.1016/j.ceb.2011.10.004

Изменение конформации интегрина приводит к
повышению аффинности связывания с лигандом в 1000 раз
(с ICAM-1 или с RGD-пептидом)

направлениях


Изнутри – наружу (Inside – out)

Внутри клетки сигнал с G-белка меняет таллин и актиновые филаменты, что раздвигает ножки интегрина, повышая аффинность внеклеточной части в 1000 раз



Снаружи – внутрь (Outside – in)

Высокоаффинное связывание с лигандом вызывает кластеризацию интегрина, что формирует сигнал внутри клетки.
Лейкоцит не просто распластывается. Он сильно активируется («взрыв» продукции ROS и других противоинфекционных веществ).

эндотелий

молекулы CD31, CD99 и JAM,
имитируя контакты между самими эндотелиальными клетками

(LBRC) during paracellular transmigration. (a) Constitutive recycling of the LBRC is ongoing as the leukocyte locomotes toward the intercellular border. (b) Upon reaching the apical side of the endothelial border, leukocyte platelet/endothelial cell adhesion molecule (PECAM) engages endothelial cell PECAM, which is enriched in plasma membrane at the cell borders (and in the LBRC). (c) In cases of PECAM-dependent transmigration, leukocyte PECAM–endothelial cell PECAM interaction triggers a signal (lightning bolt) that redirects recycling of the LBRC to the site of leukocyte engagement. In cases of PECAM-independent transmigration, some other interaction triggers this signal. (d) Membrane from the interconnected vesicles of the LBRC moves to surround the leukocyte. (e) Recruitment of the LBRC continues as the leukocyte crosses the endothelial cell border. Endothelial cell thickness is exaggerated to allow depiction of the LBRC and various signaling molecules. In reality, the endothelial cell is ≤0.5 μm thick, and the leukocyte is ~7–10 μm in diameter.

В эндотелиальной клетке есть резерв адгезионных молекул для обновления контактов между соседними клетками эндотелия – пузырьки с мембранными молекулами PECAM, CD99, JAM (lateral border recycling compartment, LBRC).
Лейкоцит «подзывает» эти пузырьки к месту своего контакта с эндотелиальной клеткой и получает необходимое количество мембранных молекул для установления контактов с обеими эндотелиальными клетками

Прокатился за чужой счет

показывают движение лейкоцита (синий) внутри эндотелиальной клетки.

LBRC (lateral border recycling compartment)

и слой перицитов

levels).
Под влиянием IL-1β дефекты увеличиваются. Именно в эти микроскопические щели и выползают нейтрофилы.

Средний размер щели
8-10 кв. мкм (4 x 2 мкм)

После IL-1β щели увеличиваются
Средний размер щели
14-18 кв. мкм (5 x 3 мкм)

нашего тела, образуя контакты с клетками эндотелия (E) и базальной мембраной (BM)

Строение стенки венулы (поперечное сечение)

поскольку могут сокращаться

кровеносный
сосуд (венула)

Цитокины, выделяемые
активированными макрофагами

Небольшой кровеносный
сосуд (венула)

Цитокины, выделяемые
активированными макрофагами

сосуды

Цитокины
IL-1, TNFα

Перициты

венулы:

В ответ на цитокины IL-1, TNFα и другие сигналы из очага инфекции
перициты и клетки эндотелия сосудов усиливают экспрессию адгезионных молекул
для лейкоцитов и продукцию факторов хемотаксиса, привлекающих лейкоциты из кровотока

лейкоциты - зеленые

Проникнув сквозь эндотелий (синий), лейкоцит оказался между индотелием и перицитами,
и еще долго ищет щель между перицитами

через зону 40x500 мкм за указанное время

ни даже тромбоциты вместе с ними не вышли.
Следовательно, целостность стенки сосуда действительно была сохранена.

Лейкоциты вышли точно в том месте, где они нужны для защиты. Больше нигде в организме этого не произошло. Очень полезное событие и очень точное по локализации.

Мало того, в первый день вышли одни защитники, во второй – другие,
в третий – третьи. Это еще одно удивительное чудо.

1 2 3 4 сутки

ВОЛНЫ МИГРАЦИИ КЛЕТОК В ОЧАГ БАКТЕРИАЛЬНОЙ ИНФЕКЦИИ

разных клеток в разное время

эндотелии сосудов

последовательно

α4β1, α5β1, α6β1, α7β1, α8β1, α9β1, α10β1, α11β1 αVβ1
αDβ2, αLβ2(LFA-1), αMβ2, αXβ2
αVβ3, αIIbβ3
Α6β4
αVβ5,
αVβ6,
αEβ7,α4β7
αVβ8

1 2 3 4 сутки

ВОЛНЫ МИГРАЦИИ КЛЕТОК В ОЧАГ БАКТЕРИАЛЬНОЙ ИНФЕКЦИИ

воспаление в брюшной полости мыши)

дни

дни

дни

Млн.
клеток

респираторно-синцитиальным вирусом

NK

CD8

CD4

очага инфекции должен достичь кровеносного сосуда и оказаться иммобилизованным на его эндотелии.

3. Активирующие вещества (цитокины, гистамин) должны вызвать повреждение плотных контактов (tight junctions) между клетками эндотелия

2. Активирующие вещества (цитокины) должны вызвать экспрессию адгезионных молекул на поверхности эндотелия.

4. Лейкоцит должен найти активирующий цитокин на поверхности эндотелия, активироваться, изменить интегрин, распластаться.

5. Лейкоцит должен почуять фактор хемотаксиса (тоже иммобилизован) и неуклонно ползти к его источнику, развивая большое механическое усилие – вспомните фильм хемотаксис с преодолением препятствия в виде пипетки.

6. Лейкоцит должен иметь молекулы, комплементарные молекулам межклеточных контактов, чтобы на время встать в монослой эндотелия, как полноценный участник этого слоя.

7. Лейкоциту необходимы молекулы для взаимодействия с перицитом – распластывание, движение, прохождение в щели между перицитами

8. Лейкоцит должен уметь проходить сквозь плотный волокнистый гель – базальную мембрану, построенную из протеогликанов и фибриллярных белков. Нужны ферменты, расплавляющие базальную мембрану. Пример – аминопептидаза (CD13), без которой моноциты не могут выходить в ткань, в частности, в брюшную полость.

жидкость водой, ионами и небольшими молекулами, газами.
Фильтрационное давление (ФД) в артериальной части капилляра 10 мм. рт. ст.

В конце капилляра гидростатическое давление снижено настолько,
что тканевая жидкость фильтруется обратно в кровь (реабсорбция).
Реабсорбционное давление (РД) в венозной части капилляра 5 мм. рт. ст.

Обмен жидкости через стенку капилляра. Стрелками обозначены направления движения жидкости и изменения величины движущей силы по ходу капилляра.

результате чего она перемещается из капилляров в интерстициальное пространство. ФД является результатом взаимодействия разнонаправленных сил: способствуют фильтрации гидростатическое давление крови (ГДк = 30 мм рт.ст.) и онкотическое давление тканевой жидкости (ОДт = 5 мм рт.ст.). Препятствует фильтрации онкотическое давление плазмы крови (ОДк = 25 мм рт.ст.). Гидростатическое давление в интерстиции колеблется около нуля (т.е. оно несколько ниже или выше атмосферного), поэтому ФД равно:
ФД = ГДк + ОДт - ОДк = 30 + 5 - 25 = 10 (мм рт. ст.)
По мере продвижения крови по капилляру ГДк снижается до 15 мм рт.ст., поэтому силы, способствующие фильтрации, становятся меньше сил, противодействующих фильтрации. Таким образом, формируется реабсорбционное давление (РД), обеспечивающее перемещение жидкости в венозном конце изинтерстиция в капилляры.
РД = ОДк - ГДк - ОДт = 25 - 15 - 5 = 5 (мм рт.ст.)
Соотношение и направления сил, обеспечивающих фильтрацию и реабсорбцию жидкости в капиллярах, показаны на рисунке слева.
Таким образом, фильтрационное давление больше, чем реабсорбционное, но поскольку проницаемость для воды венозной части микроциркуляторного русла выше проницаемости артериального конца капилляра, то количество фильтрата лишь незначительно превышает количество реабсорбируемой жидкости; излишек воды из тканей удаляется через лимфатическую систему.

(кожа, ухо мыши)

Голубые – тучные клетки (окраска по рецептору гистамина)
Красные – клетки эндотелия кровеносных сосудов (CD31)
Зеленые – лимфатические сосуды

Mast cell modulation of the vascular and lymphatic endothelium
Christian A. Kunder,1Ashley L. St John,1,2 and Soman N. Abraham1-4

Blood. 2011;118(20):5383-5393

кислота

Циклоксигеназа

простагландины
тромбаксаны

Липоксигеназа

Лейкотриены
LTB4
LTC4
LTD4
LTE4

SRS-A

Цитокины:
ФНО-α, ИЛ-4, ИЛ-5, ИЛ-6, ИЛ-8

в течение 10-20 секунд
критически зависит от положительных зарядов дефенсинов и
отрицательных зарядов сиаловых кислот гликокаликса тучной клетки.

Neutrophil Defensins Induce Histamine Secretion from Mast Cells:
Mechanisms of Action. - The Journal of Immunology, 1999, 163, 947-953.

катализируемого гистидиндекарбоксилазой

Гистамин депонируется в тучных клеткахГистамин депонируется в тучных клетках в виде комплекса с гепарином, свободный гистамин быстро деактивируется диаминоксидазой (гистаминазой) либо метилируется гистамин-N-метилтрансферазой.

Im-CH2CH2NH2 + O2 + H2O →Im-CH2CHO + NH3 + H2O2

Конечные метаболиты гистамина — имидазолилуксусная кислота и N-метигистамин выводятся с мочой.

лигандом. В настоящее время различают три подгруппы гистаминовых (Н) рецепторов: Н1-, Н2- и Н3-рецепторы.

Тип Локализация Эффекты

H1 рецепторы Гладкие мышцы, эндотелий, центральная нервная система (постсинаптические) Вазодилатация, бронхоконстрикция, спазм гладкой мускулатуры бронхов, раздвижение клеток эндотелия (и, как следствие, транссудации жидкости в околососудистое пространство, отек и крапивница), стимуляция секреции гормонов гипофизом.
H2 рецепторы Париетальные клетки желудка Стимуляция секреции желудочного сока.
H3 рецепторы Центральная и периферическая нервная система (пресинаптические) Подавление высвобождения нейромедиаторов (ГАМК, ацетилхолина, серотонина, норадреналина).

стенке кровеносных сосудов.

Декстран – полимер глюкозы.

условиях здоровой жизни сосуды кожи пропускают декстраны 20 и 40 килодальтон,.
Декстран 70 килодальтон и альбумин 65 килодальтон сквозь стенку сосудов не проходят

килодальтон.
Блокада H1-рецепторов отменяет эффект гистамина

post capillary venules (blue) are shown. (B) Sequential images after histamine injection. Elapsed time is shown in the bottom left of each image. Red arrows indicate initiation sites of leakage from postcapillary venules. Some areas of postcapillary venules became undetectable thereafter (yellow arrowheads). (C) Kinetics of the MFI in the area of arterioles (red), capillaries (green), and post capillary venules (blue) after histamine injection. Arrow denotes the timepoint of histamine injection.

Intravital analysis of vascular permeability in mice using two-photon microscopy
Gyohei Egawa et al
Scientific Reports, 3, 2013 doi:10.1038/srep01932

Гистамин повышает проницаемость пост-капиллярных венул

−
адгезионный, щелевидный и плотный контакты

Стенка венулы

Тучная клетка

Гистамин

link zona occludens (ZO) to cytoplasmic signaling molecules and actin cytoskeleton. Tight junctions appear in transmission electron micrograph as ”kisses“ resulting from fusion of the outer leaflets of lateral membranes at endothelial junctions (inset). [Adapted from Predescu and Palade (719).] The cytoplasmic domains of occludin and claudin bind ZO-1, which in turn associates with actin-polymerizing proteins, vasodilator-stimulated phosphoprotein (VASP), and spectrin (Spec) linking tight junctions to the actin cytoskeleton. ZO-1 also binds α-catenin (α) and connexin-43 (CX43), which facilitate communication between tight junctions, gap junctions, and adherens junctions. JAMs, by binding partitioning-defective protein (Par-6), Cdc42 (Cd), and atypical PKC isoform (PKCζ) recruit these signaling molecules to tight junctions.

Действие гистамина на клетки эндотелия сопровождается нарушением адгезионных и плотных контактов.
Гистамин действует через H1-рецепторы, ассоциированные
с сигнальными G-белками

Рецептор гистамина

в область вторжения инфекции) выходят
защитные вещества

(> 90 kD)
белки комплемента (~ 200-400 kD)

Какие крупные молекулы защитят от инфекции:

крови в очаг инфекции
вышло много защитных клеток и защитных макромолекул

клеток, крупных молекул и воды),
в организме происходят системные изменения.
Они затрагивают весь организм и называются
системными признаками воспаления

дополнительных защитных веществ – маннан-связывающий лектин, С-реактивный белок, сывороточный амилоид.

Действуя на гипоталамус и сосудистое тело, цитокины вызывают повышение температуры, вегетативные реакции (выделение пота, частое дыхание и сердцебиение)

Маннан-связывающий
лектин

IL-6

Гипоталамус
Сосудистое тело
Гипофиз

TNFα
IL-1
CSF

В костном мозгу цитокины включают продукцию различных типов белых клеток крови (нейтрофилы, моноциты, лимфоциты и др.).

весь организм:

Пирогенный эффект – повышение температуры тела
Изменения в ЦНС и вегетативной нервной системе
Изменения в эндокринной системе
Продукция защитных клеток в костном мозге
Продукция защитных белков в печени
Гликонеогенез (превращение запасов жира в энергетические субстраты)

этом
все делается для победы в очаге вторжения (Пришельцы в фокусе).
Попадание в цель очень точное.

2. Реакция каскадная со множеством звеньев, позволяющих
«раскручивать» большую защиту при малых инициирующих сигналах.

6. Реакция регулируется во времени в очень широком диапазоне. Быстрая защита (проницаемость для молекул) начинается в течение минут. Медленная фаза – направленная миграция клеток - развертывается в течение часов –десятков часов, и может продолжаться многие месяцы и годы.

3. Реакция не специфична в отношении индуктора (причины). Однотипная защита развивается против самых разных индукторов.

4. Реакция эффективная, но травматичная. Может наносить серьезные повреждения собственным органам и тканям.

5. Реакция избыточная, с большим уровнем надежности (патрулирование клетками и молекулами в пределах всего организма, хотя проблема сосредоточена в относительно небольшом фрагменте тела).