Белодробните сърфактантни протеини A и D — имуномодулатори на фронтовата линия

Сърфактантът (СФ) е липопротеинов комплекс, който първоначално е описан заради съществената си роля в намаляването на повърхностното напрежение на границата въздух-течност в белите дробове. Установено е обаче, че той е и основен компонент на белодробната имунна защита. Сърфактантните протеини (SP) A и D са разпознавателни молекули от семейството на колектините (C-тип лектини). Те са част от вродения имунитет и регулират функциите на имунните клетки. Протеините модулират придобития имунен отговор чрез взаимодействието си с антиген-представящите клетки (АПК) и Т-клетките, като по този начин осъществяват връзка между специфичния и неспецифичния имунен отговор.

SP-A и SP-D предпазват белите дробове, като променят възпалителния отговор. Установени са редица полиформизми на SP, които взаимодействат с различни рецептори, променяйки тежестта на белодробнте болести.

Повърхността на белодробния епител е изложена на постоянното влияние на инхалаторни частици, патогени, алергени и окислителни газове от околната среда. Наличието на локална защитна система в епителната преграда, част от която е белодробния СФ, е от голямо значение за поддържането на нормална белодробна функция.

СФ е познат основно с функцията си да намалява повърхностното напрежение на границата въздух-течност в белите дробове. Малко известно е, че той участва и в имунната им защита. Изследвания на бронхо-алвеоларен лаваж (БАЛ) установяват, че СФ е колекция от взаимно свързани макромолекулни липопротеинни комплекси, различаващи се по състав, структура и функции. Около 10% от СФ са фосфолипиди и протеини, включващи предимно хидрофобните SP-B и SP-C и хидрофилните SP-A и SP-D. СФ е синтезиран и „опакован” от тип-2 секретиращ органел, наречен ламелно тяло. В отговор на стимули, настъпили при дълбоко дишане, компонентите на ламелното тяло се секретират в тънката течна хипофаза, покриваща алвеоларния епител. Първоначално се е считало, че и четирите протеина са важни за улесняване на адсорбцията на фосфолипиди на границата въздух-течност, намалявайки повърхностното напрежение. В последствие проучванията показват, че само SP-B е от съществено значение за тази функция. Например, бебета с ниски нива на SP-B поради генетични мутации страдат по-често от респираторен дистрес синдром. Генетични промени в структурата на SP-C се свързват с развитието на интерстициална белодробна болест. Защитната функция на СФ се медиира главно от SP-A и SP-D. Клетките на Клара и субмукозните клетки също синтезират SP-A и SP-D, но не е ясно дали функциите им са същите като на тези, произведени на алвеоларно ниво.

SP-A и SP-B са членове на семейството на колектините (C-тип лектини) заради техния амино-(N)-терминален колагеноподобен регион и карбокси-терминален лектин или въглехидрат-разпознаващ участък (ВРУ). И двата SP са мултимери: SP-A е октодекамер, наподобяващ „букет”, а SP-B има кръстовидна форма (Фиг. 1).

Фиг. 1. Колагенна структура. (а) Сърфактантни протеини (SP) A и D са членове на колектиновата фамилия, която функционира като участък, разпознаващ молекули. Колектините са съставени от амино-(N)-терминален неколагенен участък и C-тип (калций-зависим) въглехидрат-разпознаващ участък (ВРУ; лектинов участък). (b) Структурно, колектините са тримерни полипептидни вериги, организирани като олигомери; SP-A и манозо-свързващия лектин (МСЛ) са октодекамери, състоящи се от шест тримерни субединици, а SP-D е додекамер, състоящ се от четири тримерни субединици.

SP-A е структурно подобен на C1q, компонент на системата на комплемента, който не притежава лектинов участък и маноза-свързващ лектин (МСЛ), а колектин. Колектините играят ролята на разпознавателни молекули, които чрез своите ВРУ се свързват с олигозахариди, разположени на повърхността на микроорганизми, подпомагайки тяхната фагоцитоза. Фактът, че колектините имат висок афинитет към олигозахаридите, е важен, тъй като повечето въглехидрати при животните са монозахариди. Следователно SP-A и SP-D стимулират микробната фагоцитоза от имунните клетки на вродения имунитет (макрофаги и неутрофили), действат като лигандни активатори, регулират експресията на повърхностните рецептори на имунните клетки. Освен това SP-A и SP-D спомагат за апоптозата на клетките на вродената имунна система. Например SP-A инхибира производството на азотен окис (NO) от алвеоларните макрофаги, но стимулира производството му в макрофаги, активирани от IFN-γ. И двата протеина имат директен бактерициден ефект срещу бактерии и гъби (Фиг. 2).

Фиг. 2. Функции на SP-A и SP-D като колектини. SP-A и SP-D се свързват и опсонизират вируси, бактерии, алергени и клетки, подложени на апоптоза. Те усилват микробната фагоцитоза посредством агрегиране на бактериите и вирусите. SP-A и SP-D притежават и директен бактерициден ефект, като могат да се свързват с различни рецептори, с което модулират експресията на цитокини и проинфламаторни медиатори от имунните клетки.

SP-A и SP-DС модулират функциите на клетките на придобития имунитет, дендритните клетки (ДК) и Т-клетките. ДК формират плътна мрежа в горните дихателни пътища, белодробния паренхим и алвеоларното пространство. Техният брой се увеличава под влиянието на възпалителни стимули. При действието на микробни продукти или възпалителни сигнали ДК се диференцират, експресирайки на повърхността си молекули, като CD80, CD86, CD40, които се свързват с рецептори от повърхността на Т-клетките. Резултатът е антигенно представяне, стимулиране на Т-клетките в регионалните лимфни възли и на локално ниво в тъканите. ДК мигрират към дренажните лимфни възли, повишават експресията на CC-хемокинов рецептор-7 и инфламаторния възпалителен протеин-3, които се натрупват около Т-клетките в лимфните възли. Чрез промяна в модела на експресията, активиране на Т-клетъчните рецептори и производството на поляризиращи цитокини, ДК определят имунния отговор като Th₀/Th₁ и Th₂. Способността им да инициират имунен отговор зависи от сигналите на средата.

SP-A и SP-D се свързват с ДК чрез калций-зависими сигнални пътища. Ефектите им върху тях са разнопосочни. SP-A инхибира съзряването, фагоцитната и хемотактична функция на ДК in vitro. SP-A и SP-D инхибират Т-клетъчната пролиферация по два механизма: IL-2-зависим и IL-2-независим. Първият включва допълнителни Т-клетъчно-зависими митогени и специфични антигени, а вторият — независим механизъм на потискане чрез калциева сигнализация.

Обобщено, проучванията показат, че СФ е основен регулатор на специфичната имунна система в белите дробове. Процесът на регулация отчасти се медиира от SP-A и SP-D и това повлиява на възпалителните каскади, които увреждат белите дробове и газообмена (Фиг. 3).

Фиг. 3. SP-A и SP-D осъществяват връзката между вродения и придобития имунитет, с което регулират защитните механизми на организма. Макар че както SP-A, така и SP-D се свързват с T-клетките (Т-кл) и директно инхибират пролиферацията им, SP-A може да инхибира Т-клетъчната пролиферация и индиректно чрез потискане на зреенето на дендритните клетки (ДК). SP-D усилва антигенното поемане и представяне. Тези In vitro резултати предполагат, че ролята на SP-A и SP-D е да променят имунологичната среда на белите дробове за защита на макроорганизма.

Предполага се, че противовъзпалителните и възпалителни ефекти на SP-А и SP-D се дължат на свързване на кълбовидните им главички с микроорганизмите, което подпомага фагоцитозата и отключването на възпалителния отговор. Редица повърхностни рецептори, които се срещат при бозайници, се откриват на повърхността на човешките ендотелни и хемопоетични клетки. Макар че молекулярната принадлежност на повечето от тях е установена, понастоящем за три от рецепторите тя не е напълно ясна.

C1q-рецепторът, който медиира фагоцитозата (C1qRp или CD93), е 126-kD тип I мембранен протеин, съдъражащ ВРУ, който се експресира на повърхността на хемопо­етичните и ендотелни клетки. Той активира каскадата на комплемента, подпомагайки унищожаването на бактериите. C1q взаимодейства с клетъчната им повърхност и усилва поемането на частици, субоптимално опсонизирани с IgG. Предполага се, че C1q заедно с SP ускоряват изчистването на клетките, подложени на апоптоза in vivo, и потискат имунния отговор. В условия на интензивна фагоцитоза те потискат индукцията на гените на имунните клетки, свързани с възпалението, посредством рецептора CD93. Този процес изисква присъствието и на двата протеина — C1q и SP. Проучвания показват, че под влиянието на множество възпалитени медиатори CD93 може да бъде премахнат от клетъчната повърхност, но значението на това премахване не е установено.

Участък-разпознаващите рецептори, включително фамилията на камбановидните рецептори (Toll-Like Receptors – TLR), медиират фагоцитозата и индукцията на гените, свързани с възпалението, подпомагайки унищожаването на патогенните микроорганизми. Свързването на SP с TLR-рецепторите и/или TLR-асоциираната молекула CD14 е един от механизмите, по които SP функционират като възпалителни медиатори. Някои проучвания предполагат, че SP-A се свързва директно с TLR2-сигналната молекула и по този начин инхибира генното активиране. Ohya и колеги предполагат, че SP-D се свързва с извънклетъчния участък на TLR2 и TLR4 чрез своя ВРУ по механизъм, различен от този, който води до свързване на фосфатидил-инозитола и ЛПЗ, макар че ефектът от това взаимодействие върху TLR-сигнализирането не е ясен. SP-A понижава способността на ЛПЗ да се свързват с CD14, но не и с ЛПЗ-свързващия протеин.

Имуностимулиращите и имуномодулаторни ефекти на SP са известни отдавна, но едва след експериментите на Gardai и колеги се правят опити те да бъдат обяснени. Изследователите предполагат, че ориентацията на молекулата на СФ и взаимодействието ù с повърхностните клетъчни рецептори е това, което стимулира или променя индукцията на гените, свързани с възпалението.

В отсъствието на патогенни микроогранизми SP се свързват посредством лектиновия си участък със сигнал-регулиращите протеини на повърхността на клетките, водейки до активиране на тирозин фосфатазата – SHP-1. Последната медиира потискането на проинфламаторните гени чрез блокиране на низходящото сигнализиране през киназите от Src-фамилията и p38-митоген-активираната протеин-киназа. SP медиират имуностимулиращите ефекти чрез различното си ориентиране, резултат от свързването на ВРУ с патогените, ЛПЗ или клетките, подложени на апоптоза, което води до агрегиране в колагеновия участък. След това агрегираната молекула с обратна ориентация взаимодейства с CRT-CD91-рецепторния комплекс на повърхността на клетките, което води до по-интензивна фагоцитоза и индуциране на проинфламаторните гени. Това е един от вероятните механизми, по които SP молекулите усилват или потискат възпалителния отговор.

Значението на SP е недостатъчно оценено поради качествените и количествни различия в SP-A, SP-B, SP-C и SP-D и връзката им с болестта. Полиморфните алели, които променят нивото на протеиновата експресия и функциониране, са свързани с различни белодробни болес­ти, като респираторен дистрес синдром, бронхо-пулмонална дисплазия, алвеоларна протеиноза, бронхиолит, причинен от респираторен синцитиален вирус (РСВ), ХОББ, фамилна интерстициална пневмония, гъбичкови инфекции и белодробен оток, причинен от пребиваване на висока надморска височина.

Човешкият SP-A локус се състои от един псевдоген и два функционални гена – SP-A1 и SP-A2, докато всички останали организми кодират само един функционален ген — SP-A. Човешките SP-A1 и SP-A2 имат 96% сходство на протеиново ниво, което предполага, че най-важните функции на SP-A изискват съхраняване на структурата на протеина. Проучвания показват разлики между двата гена. Например SP-A2 показва по-високо ниво на активност от SP-A1 по отношение на способността си да усилва индукцията на гените, свързани с възпалението, и да унищожава патогенните микроогранизми. Друг метод за регулация е свързан с вариации в снаждането между двата гена. Те водят до промени в нивата на медииращата РНК (мРНК) и протеините. Въпреки функционалните различия между двата гена, повече от четири алела на SP-A1 (6A, 6A2-4) и шест алела SP-A2 (1A, 1A0-5) се срещат често в общата популация. Промени в аминокиселините възникват при зрели SP-A1 алели в позиции 50 (L,V) и 219 (R, W) и SP-A2 алелите в аминокиселини 91 (P,A) и 223 (Q,K). В БАЛ се установяват както SP-A1, така и SP-A2. Главният SP-A1/SP-A2 алел — 1А0/6А2 (50V, 219R/91A, 223Q), представляващ 55-57% от всички SP-A алели, е свързан с респираторен дистрес синдром в независима популация и се предполага, че води до понижаване на нивата на SP-A мРНК, които корелират с болестта.

Генетични вариации в SP-A са свързани с чувствителността към РСВ инфекции. SP-A2 Gln223Lys алелът е представен значително при деца с тежки РСВ инфекции, обратно на SP-A2 Ala91Pro алела. Предполага се, че SP-A2 Gln223Lys алелът може да променя афинитета на протеина към РСВ-антигените, докато Ala93Pro мутацията променя колагеновия му участък, оказвайки влияние на имунните му функции. Алелът на SP-A2 1А1, в който има промяна на глутамат с лизин на място 223 в КРУ, повишава чувствителността към менингококови инфекции с Neisseria meningitides и риска от летален изход. Проучвания показват връзка между SP-A1 (C1101T, T3192C, и T3234C) и SP-A2 (A3265C) и белодробния оток при висока надморска височина.

Установено е, че двата алела на SP-A2 са свързани с по-висока чувствителност към алергии, медиирани от Aspergillus spp. Синонимни нуклеотидни полиморфизми на позиция A1660G се асоциират с алергичната бронхо-пулмонална аспергилоза. Тази връзка е още по-изразена при наличие на несинонимния алел G1649C. Заедно тези два алела водят до подчертано повишаване на общите IgE, периферна еозинофилия и влошен функционален капацитет на белите дробове (ФЕО₁). И двете мутации (A1660G и G1649C) са свързани с висока чувствителност към инфекции с M. tuberculosis. Анализ на нуклеотидния полиморфизъм, водещ до поява на синонимен алел на аминокиселина 62 на SP-A, показва връзка с ХОББ. С висока честота при идиопатична белодробна фиброза се открива един алел на SP-A1 (6A₄) и едно-нуклеотидния полиморфизъм (Single-Nucleotide Polymorphism – SNP), който характеризира 6А₄ алела. Тъй като по-голямата част от тези SNP са синонимни, може да се спекулира, че те променят транслацията и стабилността на мРНК, което повлиява нивата на белтъчната експресия.

SP-D се синтезира в белия дроб основно от алвеоларните клетки тип II. Той се освобождава в кръвта при белодробна увреда. Идентифицирани са четири полиморфизма на SP-D — Met11Thr, Ala160Thr, Ser270Thr и несинонимната Ala286Ala мутация, но единствено аминокиселината 11 е известен рисков фактор за развитие на болест. Полиморфизми Met11Thr и Ala160Thr в амино-края и колагеновия участък са по-чести (около 20%), докато Ser270Thr и Ala286Ala са относително редки. С протективен ефект по отношение на тежките РСВ инфекции при деца е алелът Met11Thr на SP-D. Met11Met алелът повишава риска от РСВ бронхиолит, а Thr11-кодиращия алел е свързан с по-голяма чувствителност към M. tuberculosis инфекции. Проучвания предполагат, че алелите на кодон 11 повлияват способността на SP-D да олигомеризира и съответно да променя плазмените нива на протеина. Met11Met алелът произвежда SP-D структури с ниска и висока молекулна плътност, докато Thr11 произвежда основно структури с ниска молекулна плътност. SP-D с висока молекулна плътност се свързва по-добре с микроогранизмите, докато тези с ниска свързват по-простите лиганди, като ЛПЗ. Физиологичното значение на двата структурни варианта не е напълно изяснено.

Въпреки че опитите в условия на остра инфекциозна болест показват, че SP-A и SP-D потискат възпалението и подпомагат унищожаването на патогените, малко се знае за тяхната роля in vivo при хроничните белодробни болести. Интерес представляват резултатите, които показват връзка между нивата на SP-D и тежестта на белодробната болест/увреда. Такава корелация не се открива при кистична фиброза. При оксигениране структурата на SP-D се променя и способността му да аглутинира бактериите се нарушава, което допринася за понижаване на защитните механизми на организма и развитие на гнойни белодробни болести. Пушачите и пациентите с ХОББ, при които се наблюдава мукусна хиперсекреция и хроничен бронхит, променящи вентилаторния капацитет и газовата обмяна, имат високи серумни нива на SP-D, но не и на SP-A и SP-B в сравнение със здрави контроли. Безсимптомните деца с трахеостомия имат ниски нива на SP-D. Те корелират значимо с бактериалното число и нивото на неутрофилно възпаление.

За момента няма проучвания с препарати, съдържащи SP-A и SP-D в лечението на белодробните болести. Необходими са по-задълбочени познания за влиянието на алелните вариации върху болестта и идентифицирането на сърфактантни рецептори за изработването на терапевтични средства, които да бъдат включени в лечението на специфични белодробни болести.

Липопротеиновият комплекс „сърфактант” е необходим за понижаване на повърхностното напрежение на нивото въздух-течна повърхност в белите дробове и за имунната им защита. Два сърфактанта, SP-A и SP-D, са от съществено значение за белодробната защита. Те не само регулират вродения имунитет, но също така взаимодействат с АПК и Т-клетките, осъществявайки връзката между неспецифичния и специфичния имунен отговор. Лабораторни модели, симулиращи остра инфекциозна болест, показват че SP-A и SP-D инхибират възпалението и усилват отговора към патогенни микроогранизми. Все още е слабо проучен ефектът им върху хроничните белодробни болести in vivo. Проучвания върху неинфекциозните белодробни болести и случаите на белодробната увреда показват, че нивата на SP-D в БАЛ и серума варират и могат да се използват като биомаркер за оценка на болестта и увредата. Значимият брой полиморфизми на SP могат да променят белодробните функции и да въздействат чрез различни рецептори върху тежестта на белодробните болести. SP-A и SP-D имат способността да променят имунната среда на белите дробове, като подсилват защитните механизми и едновременно с това ги предпазват от свръхмерен имунен отговор, който би могъл да увреди тъканите и газообмена.

Превод и адаптация на статията:

Pastva A, Wright J, Williams K Immunomodulatory roles of surfactant proteins A and D. Implications in Lung Disease.
Proc Am Thorac Soc, 2007; 4:252–257