Chemokiny

1. Profil rodziny

1.1. Definicja i podział

Chemokiny są niewielkimi białkami o masie 8–12 kilodaltonów, wydzielanymi przez komórki tkanek i leukocyty. Ich nazwa łączy dwa człony: „chemotaktyczne” i „cytokiny”, co dobrze oddaje funkcję — sterowanie ruchem komórek wzdłuż gradientu stężenia.

Podział podstawowy opiera się na rozmieszczeniu reszt cysteinowych w cząsteczce, a nazewnictwo odzwierciedla ten układ wprost.

Podział drugi, ważniejszy czynnościowo, dzieli chemokiny według okoliczności powstawania. Homeostatyczne są wydzielane stale i budują wewnętrzną organizację węzłów chłonnych, grasicy i szpiku; zapalne powstają dopiero pod wpływem zakażenia, uszkodzenia lub cytokin prozapalnych. Rozróżnienie to tłumaczy, dlaczego blokowanie chemokin bywa ryzykowne — część z nich pełni funkcje niezbędne w warunkach zdrowia.

1.2. Receptory i nadmiarowość układu

Receptory chemokinowe należą do rodziny receptorów sprzężonych z białkiem G, a ich pobudzenie uruchamia przebudowę cytoszkieletu aktynowego, zmianę powinowactwa integryn oraz ruch komórki. Nazewnictwo receptorów odpowiada nazewnictwu ligandów: CCR wiążą chemokiny CC, CXCR — chemokiny CXC.

Cechą wyróżniającą ten układ jest nadmiarowość. Około pięćdziesięciu chemokin przypada na mniej niż dwadzieścia receptorów, a większość receptorów wiąże kilka ligandów; wiele chemokin działa też przez więcej niż jeden receptor. Skutek praktyczny jest istotny i wielokrotnie zaskakiwał badaczy: usunięcie jednej chemokiny bywa kompensowane przez pozostałe, dlatego wyniki badań przedklinicznych z blokadą pojedynczych cząsteczek często nie przenoszą się na klinikę [2].

Osobną grupę stanowią receptory atypowe (ACKR), które wiążą chemokiny, ale nie uruchamiają ruchu komórki. Pełnią funkcję pochłaniaczy: usuwają nadmiar chemokin z tkanki i kształtują gradient, wycinając w nim ostre granice. Bez nich stężenie wyrównałoby się w całej tkance, a informacja kierunkowa zostałaby utracona.

1.3. Rys historyczny

Pierwszą chemokinę wyodrębniono w 1987 roku jako czynnik przyciągający neutrofile, nazwany wówczas interleukiną 8, a dziś oznaczany jako CXCL8. W ciągu kolejnej dekady opisano kilkadziesiąt podobnych białek, co wymusiło uporządkowanie nazewnictwa według układu cystein — stosowanego do dziś.

Przełomem dla znaczenia klinicznego okazało się odkrycie z połowy lat dziewięćdziesiątych, że receptory chemokinowe CCR5 i CXCR4 służą wirusowi HIV za koreceptor wejścia do komórki. Obserwacja, że osoby z wrodzonym brakiem czynnego CCR5 są w znacznym stopniu oporne na zakażenie, doprowadziła do opracowania leku blokującego ten receptor, a także do prób leczenia opartych na przeszczepieniu komórek krwiotwórczych od dawców pozbawionych jego czynnej postaci.

2. Mechanizmy i funkcje

2.1. Jak działa gradient

Chemotaksja polega na przemieszczaniu się komórki w stronę rosnącego stężenia substancji. Wymaga to zdolności do porównania stężenia w dwóch punktach własnej powierzchni, oddalonych o kilkanaście mikrometrów — a różnica bywa rzędu kilku procent.

Mechanizm opiera się na wzmocnieniu wewnętrznym. Receptory pobudzone po stronie o wyższym stężeniu uruchamiają miejscową polimeryzację aktyny i tworzenie wypustki, a przeciwległy biegun komórki jest jednocześnie hamowany. Powstaje trwała biegunowość: przód komórki pełznie, tył odrywa się od podłoża. Komórka nie mierzy zatem stężenia bezwzględnego, lecz jego przestrzenną pochodną — dlatego równomierne podniesienie stężenia chemokiny w całej tkance zatrzymuje ruch, zamiast go nasilać.

Gradient nie utrzymuje się sam. Chemokiny wiążą się z siarczanami heparanu na powierzchni komórek i w macierzy zewnątrzkomórkowej, dzięki czemu pozostają unieruchomione blisko źródła i nie są wypłukiwane przez krew. Ten szczegół decyduje o skuteczności całego układu: sygnał rozpuszczalny zostaje przekształcony w trwały drogowskaz przytwierdzony do tkanki.

2.2. Chemokiny homeostatyczne — architektura układu odpornościowego

Znaczna część chemokin nie ma nic wspólnego z zapaleniem, lecz buduje wewnętrzny porządek narządów limfatycznych. Węzeł chłonny nie jest zbiorem przypadkowo rozmieszczonych komórek — limfocyty T zajmują strefę przykorową, limfocyty B tworzą grudki, a każda z tych populacji trafia we właściwe miejsce, podążając za odrębnym sygnałem.

Trzy ostatnie wiersze opisują zjawisko nazywane adresowaniem tkankowym: limfocyt uczulony w węźle chłonnym jelita otrzymuje zestaw receptorów kierujący go z powrotem do jelita. Mechanizm ten tłumaczy, dlaczego odporność błon śluzowych jest w znacznym stopniu miejscowa, a szczepienie podane doustnie daje inny profil ochrony niż podane domięśniowo.

Szczególne znaczenie ma para CXCL12–CXCR4, utrzymująca komórki macierzyste w szpiku. Jej zablokowanie uwalnia je do krwi — na tym opiera się lek stosowany do mobilizacji komórek krwiotwórczych przed przeszczepieniem.

2.3. Chemokiny zapalne — rekrutacja do tkanki

W ognisku zapalnym kolejność napływu komórek jest uporządkowana w czasie, a wyznaczają ją kolejno wydzielane chemokiny. Najpierw pojawiają się neutrofile, ściągane przez CXCL8, po nich monocyty prowadzone przez CCL2, a na końcu limfocyty odpowiadające na CXCL9, CXCL10 i CXCL11. Trzy ostatnie powstają pod wpływem interferonu gamma, a ich indukcja należy do najlepiej opisanych genów odpowiedzi interferonowej [5] — jest to bezpośrednie ogniwo łączące rozpoznanie zakażenia z napływem komórek zdolnych je zwalczyć.

Sam przebieg opuszczania naczynia obejmuje cztery etapy, z których trzeci należy do chemokin:

1. Toczenie się leukocytu po śródbłonku z udziałem selektyn
2. Aktywacja przez chemokinę unieruchomioną na powierzchni śródbłonka
3. Trwałe przyleganie dzięki zmianie powinowactwa integryn
4. Przejście przez ścianę naczynia i wędrówka w tkance wzdłuż gradientu

Punkt drugi jest krokiem rozstrzygającym. Bez sygnału chemokinowego leukocyt toczy się dalej i wraca do krążenia — to chemokina decyduje, czy komórka zatrzyma się w danym narządzie. Wyjaśnia to, dlaczego różne choroby zapalne mają odmienne umiejscowienie mimo wspólnych mediatorów ogólnoustrojowych.

2.4. Poza układem odpornościowym

Chemokiny sterują ruchem także tych komórek, które z odpornością nie mają związku. W rozwoju zarodkowym prowadzą komórki nerwowe i zawiązki narządów; w gojeniu ran kierują fibroblastami i komórkami śródbłonka, uczestnicząc w tworzeniu nowych naczyń.

W ośrodkowym układzie nerwowym fraktalkina CX3CL1, wytwarzana przez neurony, oddziałuje na receptor CX3CR1 mikrogleju i utrzymuje go w stanie spoczynkowym. Utrata tego sygnału — na przykład przy uszkodzeniu neuronów — uwalnia mikroglej do odpowiedzi zapalnej. Astrocyty wydzielają natomiast własny zestaw chemokin, przez co współtworzą reakcję zapalną tkanki nerwowej [3]. Napływ komórek zapalnych do mózgu i towarzyszące mu zmiany przekaźnictwa dopaminergicznego wiąże się z objawami motywacyjnymi z kręgu anhedonii, co czyni z chemokin jedno z ogniw między zapaleniem obwodowym a nastrojem [6].

Najbardziej niepokojącym zastosowaniem tego układu jest przerzutowanie nowotworów. Komórki raka wykazują ekspresję receptorów chemokinowych, przede wszystkim CXCR4, i przemieszczają się do narządów o wysokim stężeniu odpowiedniego liganda — szpiku, wątroby, płuc. Kierunek przerzutów nie jest zatem przypadkowy: odzwierciedla mapę chemokin w organizmie.

3. Zaburzenia i modyfikacja

3.1. Zapalenie przewlekłe i choroby metaboliczne

Przewlekłe zapalenie o niskim nasileniu, charakterystyczne dla otyłości, opiera się w znacznej mierze na sygnalizacji chemokinowej. Przerośnięty adipocyt wydziela CCL2, która ściąga monocyty z krwi; napływające makrofagi otaczają obumierające komórki tłuszczowe i przechodzą w stan prozapalny, wydzielając TNF oraz interleukiny 1β i 6 [1].

Ten sam mechanizm działa w wątrobie. W stłuszczeniowym zapaleniu wątroby chemokiny CCL2, CCL5, CCL20 i CXCL10 napędzają napływ komórek zapalnych, a następnie włóknienie prowadzące do marskości. Prace nad ich blokowaniem trwają od lat, jednak wczesne badania kliniczne dały wyniki niejednoznaczne — przypisuje się to nadmiarowości układu oraz temu, że rola poszczególnych chemokin zmienia się na kolejnych etapach choroby [2].

Wniosek płynący z tych niepowodzeń jest wart zapamiętania także poza hepatologią. Mediator o silnym udziale w patogenezie nie musi być dobrym celem leczniczym, jeśli jego funkcję potrafią przejąć cząsteczki pokrewne.

3.2. Zakażenia

Rola chemokin w zakażeniach jest dwoista: bez nich odpowiedź nie dociera do miejsca wtargnięcia patogenu, a ich nadmiar sam staje się przyczyną uszkodzenia tkanki.

Najlepiej znanym przykładem pierwszego rodzaju jest zależność między receptorem CCR5 a wirusem HIV. Wirus wykorzystuje go jako koreceptor wejścia do limfocytu, dlatego osoby z homozygotyczną delecją w genie tego receptora są w znacznym stopniu oporne na zakażenie. Obserwacja ta stała się podstawą leczenia blokerem receptora oraz opisanych przypadków wyleczenia po przeszczepieniu komórek krwiotwórczych od dawcy z tą delecją.

W zakażeniach pasożytniczych chemokiny kształtują z kolei typ odpowiedzi. Przy inwazji robaków pasożytniczych, dotyczącej ponad półtora miliarda ludzi, profil wydzielanych chemokin decyduje o przewadze odpowiedzi typu 2 z udziałem eozynofilów, a przez to o skuteczności eliminacji pasożyta lub o przejściu zakażenia w postać przewlekłą [4].

3.3. Punkt uchwytu leków

Mimo dwóch dekad prób liczba zarejestrowanych leków działających na ten układ pozostaje niewielka, co samo w sobie jest informacją o trudności zagadnienia.

Dwa pierwsze wiersze pokazują, w jakich warunkach blokada chemokinowa się sprawdza: gdy jeden receptor pełni funkcję niezastąpioną — wrót wejścia wirusa albo kotwicy utrzymującej komórki w szpiku. Tam, gdzie działa nadmiarowa sieć mediatorów zapalnych, ten sam sposób postępowania zawodzi.

3.4. Jak zbadać

Reguła praktyczna: oznaczanie chemokin nie należy do diagnostyki klinicznej. Jedynym powszechnie stosowanym badaniem powiązanym z tym układem jest ocena tropizmu wirusa HIV przed włączeniem leku blokującego receptor CCR5.

3.5. Modyfikacja behawioralna

• Redukcja nadmiernej masy ciała zmniejsza wydzielanie CCL2 przez tkankę tłuszczową i napływ makrofagów — jest to najlepiej udokumentowany sposób obniżenia sygnalizacji chemokinowej [1]
• Zaprzestanie palenia ogranicza przewlekłą rekrutację neutrofilów do dróg oddechowych
• Regularny wysiłek o umiarkowanej intensywności obniża wykładniki zapalenia przewlekłego; wysiłek wyczerpujący działa przejściowo odwrotnie
• Leczenie chorób przyzębia i innych ognisk zapalnych usuwa źródło stałego bodźca chemokinowego
• Sen o odpowiedniej długości wpływa na dobowy rytm krążenia leukocytów, który jest sterowany chemokinami

3.6. Wsparcie suplementacyjne

Zastrzeżenie o zasadniczym znaczeniu. Nie istnieje suplement o udokumentowanym klinicznie wpływie na stężenia chemokin u ludzi. Dane pochodzą z hodowli komórkowych i modeli zwierzęcych, a wnioskowanie z nich o działaniu w organizmie jest nieuprawnione. Dodatkowo kierunek działania nie jest jednoznacznie pożądany: chemokiny homeostatyczne odpowiadają za prawidłową budowę narządów limfatycznych, więc ich tłumienie nie jest celem terapeutycznym.

Uwaga praktyczna. Najskuteczniejszym udokumentowanym sposobem obniżenia sygnalizacji chemokinowej pozostaje redukcja nadmiernej masy ciała i leczenie ognisk zapalnych, a nie suplementacja. U osób z chorobami autoimmunologicznymi lub po przeszczepieniu preparaty deklarowane jako immunostymulujące wymagają uzgodnienia z lekarzem prowadzącym.

4. Karta praktyczna

Jak to zbadać

Stężeń chemokin nie oznacza się w diagnostyce klinicznej — brak ustalonych wartości odniesienia, a wynik nie prowadzi do decyzji terapeutycznej. Jedynym badaniem powszechnie stosowanym w tym obszarze jest ocena tropizmu wirusa HIV przed włączeniem leku blokującego receptor CCR5. W praktyce zapalenie ocenia się badaniami tanimi i powtarzalnymi: CRP oraz morfologią z rozmazem.

Na co uważać

• Nadmiarowość układu sprawia, że zablokowanie jednej chemokiny rzadko daje efekt kliniczny; wczesne badania w chorobach wątroby były pod tym względem rozczarowujące [2].
• Chemokiny homeostatyczne pełnią funkcje niezbędne — ich tłumienie nie jest celem terapeutycznym.
• Maraviroc działa wyłącznie na szczepy wirusa wykorzystujące receptor CCR5; podanie bez oznaczenia tropizmu jest nieskuteczne.
• Kierunek przerzutów nowotworowych odzwierciedla rozmieszczenie chemokin, a nie tylko drogę spływu krwi.
• Preparaty deklarujące wpływ na chemokiny opierają się na badaniach komórkowych; przeniesienie tych wyników na organizm nie zostało wykazane.