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