До вашої уваги – ще один матеріал від авторів науково-популярного порталу «Моя наука» у нашій новій рубриці «Дивовижний світ науки». Портал створений для того, щоб з'являлося більше зрозумілих та якісних текстів українською мовою про наукові досягнення та відкриття, про українських дослідників. Тому й автори цієї рубрики – українські науковці у галузі біології та медицини.

 

Природні кілери. Їх назва звучить, начебто це якісь злодії. Але чи насправді це так? Кого вони вбивають? Чому називаються природними? І що вони роблять в матці?

Природні кілери (або NK клітини) – клітини вродженого імунітету, цитотоксичні лімфоцити. Назва цих клітин походить від їх властивості швидко реагувати на інфекцію. Тобто в них є «натуральна» або «природня» реактивність, що дозволяє руйнувати (фактично вбивати) пухлинні або заражені вірусом клітини без попереднього підвищення чутливості до них. Натуральним кілерам не потрібен час на роздуми. Вони діють одразу, тоді як імунна відповідь інших клітин, таких як Т-лімфоцити, потребує більшого часу для активації. Тому вважається, що забезпечений цими клітинами імунний захист є природним/натуральним. Тобто вони зовсім не злочинці, а навпаки, допомагають боротись з інфекцією, вбиваючи клітини власного організму, які заражені вірусом, або трансформовані ракові клітини, запобігаючи розповсюдженню злоякісної пухлини. Але як вони це роблять? Чому нормальні клітини не руйнуються цими кілерами? Справа в тому, що на їх поверхні є рецептори двох типів: активаційні та інгібіторні. Активаційні рецептори запускають відповідно активацію кілерів, що призводить до виділення ними перфоринів та гранзимів. Ці речовини мають цитотоксичну дію та провокують апоптоз клітин-мішеней, небезпечних для організму в цілому. Інгібіторні ж рецептори знижують рівень активації, що відбулась внаслідок зв’язування з активуючими рецепторами. Тобто не дають цитотоксичній дії розвинутись до рівня, необхідного для ушкодження клітин-мішеней. Отже, клітина-натуральний кілер інтегрує сигнали, що надходять як від активаційних, так і від інгібіторних рецепторів, і, врешті решт, спостерігається відповідна реакція.

Особливість полягає у тому, що багато інгібіторних рецепторів взаємодіє з білками головного комплексу гістосумісності (МНС) першого типу, які експресуються на поверхні кожної ядерної клітини. І саме завдяки тому, що ці білки присутні у великій кількості у багатьох клітинах, натуральні кілери не проявляють відповіді стосовно здорової тканини.

Проте, коли клітини мають знижену експресію МНС першого класу, а саме це відбувається при певних вірусних інфекціях або пухлинах, вони стають жертвами вбивчої сили природних кілерів. Це так зване «розпізнавання, пропускаючи свого» (missing self recognition). Втрата білків МНС першого класу – це рідкісне явище, нехарактерне для нормальних клітин. Інфіковані вірусом клітини, ховаючи свої молекули МНС, уникають розпізнавання цитотоксичними Т-лімфоцитами, які також вбивають заражені та пухлинні клітини завдяки якраз функції самих білків МНС.

Головний комплекс гістосумісності (major histocompatibility complex – MHC або human leukocyte antigen – HLA) – набір білків клітинної поверхні, важливих для імунітету, щоб розпізнавати чужорідні молекули.

Головною функцією молекул МНС є зв’язування антигенів, які походять від патогенів, і презентація цих антигенів на поверхні для розпізнавання іншими клітинами імунної системи, що запускатимуть імунні відповіді далі (наприклад, Т-клітини). Молекули МНС мають надзвичайну варіабельність і набір цих молекул у кожного організму свій. Немає двох людей з однаковим набором (окрім однояйцевих близнюків). Це робить організм унікальним, додатково захищаючи його таким чином від патогенів.

Таким чином, натуральні кілери можуть розпізнати хитрих товаришів, які переховуються від імунної системи. Якщо клітина не «пред’являє документ» про те, що вона своя і нормальна, то кілер власне розстрілює її на місці. А саме застосовує зброю у вигляді перфоринів, що призводять до апоптозу.

Чим же забезпечується така швидкість реакції натуральних кілерів? І який механізм їхньої роботи? Справа в тому, що для розпізнавання того, чи є молекула МНС на поверхні клітини, чи ні, достатньо мати вроджені рецептори, тобто такі, які вже присутні від народження.

А от Т-клітинам потрібні рецептори, які виробляються після зіткнення з інфекцією і мають бути специфічними до конкретного збудника. Для утворення таких рецепторів потрібен деякий час, тоді як NK клітини можуть діяти одразу.

Активаційний статус натуральних кілерів забезпечується сумацією внутрішньоклітинних сигналів, отриманих від вроджених активаційних та інгібіторних рецепторів. Тобто NK-клітина в першу чергу активується при зустрічі з будь-якою клітиною. Вона відразу починає каскад цитотоксичності (така собі «презумпція винуватості» для всіх клітин). За цей час NK клітина обшукує їхню поверхню і, якщо знаходить наявність своїх притаманних лігандів у вигляді МНС, то припиняє процедуру вбивства за рахунок взаємодії з інгібуючими рецепторами KIR, зупиняючи активацію (рис. 1).

Ще однією цікавою властивістю рецепторів KIR є те, що вони можуть перетворюватись з активаторних в інгібіторні й навпаки. Тобто, їх структура така, що частини, відповідальні за передачу активаційного/інгібіторного сигналу, можуть за певних умов переміщуватись до інших рецепторів, тоді як зовнішньоклітинна частина, що взаємодіє з лігандами, лишається такою ж. Це остаточно заплутує патогени і дозволяє нам ще краще захищатись від них, шифруючись від них, не даючи змоги їм дізнатись наші «явки та паролі».

Рецепторами, що зв’язуються з білками МНС першого класу, є KIR (Killer cell immunoglobulin-like receptor) – родина дуже різноманітних за своєю структурою рецепторів. Вони слугують ключовими регуляторами функціонування натуральних кілерів людини. Цікаво, що рецептори KIR можуть бути як інгібіторними, так і активаційними. Всі інгібіторні рецептори KIR (KIR2DL та KIR3DL) мають довгі цитоплазматичні домени (частина білка, що знаходиться в цитоплазмі), а активаційні (KIR2DS KIR3DS), як правило, короткі, але є й винятки у вигляді KIR2DL4 (рис. 2). Як молекулам МНС (білки головного комплексу гістосумісності кількох типів МНС-A, -D та -C), так і рецепторам KIR притаманна надзвичайно широка різноманітність форм.

Численні дослідження демонструють зв’язок між певними комбінаціями генів KIR/МНС та сприйнятливості до ряду хвороб, включно з вірусними інфекціями, аутоімунними розладами та злоякісними пухлинами1. Крім того, відповідні комбінації KIR/МНС можуть впливати на перебіг вагітності.

Що цікаво, рецептори KIR успадковуються у випадкових комбінаціях форм незалежно від власних МНС, а NK-клітини проходять навчання і «звикають» до цих МНС, щоб на них не реагувати. Тобто організму «видається» набір різних «замків» і різних «ключів», і він має навчитись користуватись цими замками та ключами, хоча якийсь певний «ключ» (KIR рецептор) може бути приречений не побачити ніколи свого замка (МНС молекулу).

Це все, звісно, цікаво, але до чого тут репродуктивна функція? Кого треба вбивати, якщо задача постає у виношуванні дитини? Перейдемо від вступної лірики до найгарячішого. Справа у тому, що в матці є власна субпопуляція натуральних кілерів – природні кілери матки (uterine natural killer (uNK) або клітини CD56+), які в найбільшій кількості містяться в ендометрії2. Відомо, що вони відіграють важливу роль, хоча не до кінця зрозуміло всі їхні функції. В ендометрії натуральні кілери складають 50–70% всіх лімфоцитів і 20% усіх клітин ендометрію2.

Крім того, натуральні кілери матки суттєво відрізняються від таких, що циркулюють у крові. Вони мають властивість дозрівати саме в матці і походять від клітин-попередників, що прямують з периферичних лімфоїдних тканин, селезінки та лімфатичних вузлів. Дозрівання натуральних кілерів полягає у появі цитоплазматичних гранул з ферментами, необхідних власне для виконання функцій природних кілерів3.

Під час преовуляторної фази лише кілька невеликих і безгранулярних NK-клітин присутні в ендометрії. У період секреторної фази менструального циклу спостерігається різке збільшення кількості цих клітин, оскільки збільшується рівень прогестерону. В кінці менструального циклу різко падає рівень прогестерону і NK-клітини вмирають. Тому припускають, що їх виживання залежить від рівня прогестерону. Коли наступає вагітність, кількість підвищується ще більше порівняно із секреторною фазою і зростає до максимальних значень у середньому періоді, знижуючись після цього і майже зникаючи до кінця вагітності.

То на кого ж вони все таки працюють? На ембріона? На материнський організм? Чи на благо Вітчизни? Кого вони вбивають, якщо вони кілери? А виходить так, що нікого майже не вбивають. Популяція NK-клітин матки має подібні фенотипічні характеристики до натуральних кілерів, що циркулюють у крові, але їхня вбивча сила знижена. Фактично вони тільки контактують з плацентарними клітинами трофобласту і в нормі не завдають їм шкоди. Підвищена кількість NK-клітин у ранньому періоді вагітності, їхня гормональна залежність і близьке розташування до трофобласту дає підстави вважати, що натуральні кілери відіграють важливу роль у регуляції материнської імунної відповіді на фетальний алотрансплантант, контролюючи ріст трофобласту та його інвазію, розвиток плаценти під час вагітності у людини4.

Відмінність кілерів у матці якраз полягає в тому, що вони мають меншу цитотоксичність. Натомість вони спеціалізуються на секреції цитокінів5. Завдяки цим цитокінам відбувається регуляція інших цитокінів, що відповідають за анатомічні зміни децидуальних артерій. Спіральні артерії піддаються ремоделюванню для забезпечення важливими поживними речовинами під час росту та розвитку ембріона. Після дозрівання NK-клітини прямують до судин ендометрію та ендометріальних залоз. Там вони руйнують стінки спіральних артерій, розмежовуючи клітини гладеньких м’язів. Тобто виходить, що натуральні кілери більш агресивні до власного організму – до клітин ендометрію, ніж до трофобласту. При цьому важлива взаємодія кілерів з клітинами трофобласту, а успішність розвитку плаценти залежить від типу МНС, експресованих на трофобласті. Найбільш важливим типом є МНС С-типу. Коли превалюють інші форми МНС, можуть спостерігатись певні порушення6.

До того ж, МНС-антигени можуть групуватись на такі, що мають менш інгібіторний ефект для NK кілерів (С1), і ті, що мають більш інгібіторний ефект (С2). У тих вагітних, що мали рецептори KIR до МНС-С2, а ембріон експресував МНС-С2, частіше спостерігалась прееклампсія7. У жінок з прееклампсією спостерігалась також знижена кількість генів активаційних KIR порівняно зі здоровими. Це свідчить про те, що недостатність активаційних KIR може призводити до зниженої активації природних кілерів у матці. Знижена активація – недостатня функція ремоделювання судин і, як наслідок, порушення кровообігу в плаценті.

Також NK-клітини концентруються у зоні плацентації, у найбільш близькому місці до трофобластних клітин, які проникають в товщу матки. Тісно взаємодіючи з трофобластом, розпізнаючи їх МНС молекули, NK клітини сприяють інвазії трофобласту, а в подальшому будуть забезпечувати взаємодію ембріона з материнським організмом через цей контакт.

Звісно, природні кілери матки виконують і свої початкові функції, захищаючи й плід, і материнський організм від інфекцій за тим самим механізмом, що й циркулюючі в крові кілери.

Важливим є те, що природні кілери матки, так само, як і інші NK-клітини, взаємодіють з МНС та мають до них відповідні KIR. Щоправда, МНС тепер не власні, а ті, що експресуються на клітинах трофобласту, а це переважно МНС-С типу. Трофобласт при цьому не експресує МНС, типові для NK-клітин крові. І цей факт може бути одним з пояснень, чому не відбувається відторгнення плоду. Набір МНС-молекул на трофобласті забезпечує необхідну відповідь натуральних кілерів, відмінну від звичайних NK-клітин крові і оптимальну в даних умовах. Природні кілери матки мають більшу кількість і різноманітність рецепторів KIR порівняно з кілерами крові. Більш широкий набір KIR дає їм більше шансів знайти відповідну молекулу МНС. Тобто чим більше набір ключів, тим вища вірогідність відкрити замок, що так чи інакше буде відрізнятись від власного. І якщо співпадіння будуть віднайдені – природні кілери не вбиватимуть клітини трофобласту і відповідно активуватимуться при здійсненні ремоделювання судин та інших важливих функцій.

Пам’ятаєте, ми на початку говорили, що МНС та KIR успадковуються незалежно між собою у випадкових комбінаціях форм? І що є такі ситуації, коли кілер несе в собі KIR-рецептор, що ніколи не зустрічає відповідного йому МНС у власному організмі? Так от, такі рецептори, які звикли, що в організмі ніколи не було такого ліганду, можуть стати активаторними замість інгібіторних. Це значить, коли їм врешті-решт зустрінеться конкретно «його» МНС, кілер буде впевнений, що це щось несвоє. Тобто, якщо рецептор не працював, аж раптом є незначна відповідь – це привід для активації й убивства. KIR можуть перетворюватись з інгібіторних в активаторні.

І тут може спіткати неприємність. Коли природні кілери матері мають рецептори до МНС-С2, наприклад, але сам організм таких молекул МНС-С2 не має, і якщо в ембріона будуть експресуватись МНС-С2, то кілери реагуватимуть на ці молекули, як на чужі, й запускатимуть активаційну реакцію на трофобласт. Хоч у NK-клітин матки і знижена цитотоксичність, але ж ви пам’ятаєте про «презумпцію винуватості». Клітинам трофобласту теж необхідно переконати кілера, що вони «свої». Тому іноді NK-клітини створюють проблеми.

Останні роки натуральні кілери знаходяться під пильною увагою через їхню потенційну роль у невиношуванні та неплідності. Механізми неуспішних випадків репродуктивної функції пов’язують з високими рівнями природних кілерів. Високі рівні активності натуральних кілерів початково вважаються фактором ризику для неплідності невідомої природи, невдалих спроб запліднення in vitro (IVF) та повторюваного невиношування вагітності. Існує гіпотеза, що така гіперактивність NK-клітин відіграє центральну роль у випадках повторюваного невиношування, оскільки є причиною дефектів при імплантації. Кілька наукових робіт стверджують, що у жінок з повторюваним невиношуванням спостерігається підвищена середня кількість клітин натуральних кілерів в ендометрії8.

Дані українських дослідників теж стверджують, що несприятливими чинниками для настання вагітності є підвищений рівень цитотоксичності NK-клітин, їх велика кількість, знижена експресія рецепторів KIR та інші фактори9.

Якщо в ембріона є МНС С-типу (від батька), а в матері ніколи не було МНС С-типу, але є до нього рецептори, то NK будуть активуватись, що може призводити до резорбції плоду, викиднів тощо. Тобто це приклад надмірної активації природних кілерів.

Якщо ж усе навпаки, матимемо іншу крайність. Коли у відповідь на МНС ембріону у натуральних кілерів виробляється сильний супресорний ефект (рецептори дуже добре взаємодіють з цими лігандами), то відбувається посилена плацентація, плід швидко росте, стає занадто великим. Йому нічого не заважає і не стримує, не створює перепон. У такому разі це теж може призводити до смертності і не тільки плода, але й материнської.

Однак не існує єдиного аналізу або тесту, або кількох тестів, що можуть однозначно сказати і спрогнозувати успішність настання, перебіг вагітності і таке інше. Важливо, що рівні NK-клітин у крові та в ендометрії не корелюють, тому для оцінки імунітету репродуктивної системи недостатньо дивитись на аналіз крові. Він не буде вказувати на процеси, які відбуваються у матці. Універсального значення рівня цих клітин як нормального для всіх систем організму теж немає. Існують дані, що для жінок з високим показником NK-клітин (але в межах норми) ризик спонтанного переривання вагітності вищий, ніж для тих, у кого він нижче.

Що цікаво, чим більше NK клітин, тим краще працює імунна система. Тому в пацієнток з невиношуванням вагітності та високими показниками NK майже не спостерігаються інфекційні захворювання в анамнезі. Стан імунної системи (баланс між активуючими та інгібуючими рецепторами, лігандами і відповідними ефектами), оптимальний для репродуктивних процесів, може бути неприйнятним для боротьби з інфекцією, і навпаки. Також окремо для репродуктивної системи показників, які однозначно будуть свідчити про те, чому ця жінка вагітніє, а ця ні, теж немає. Вагітність – це дуже складний процес з багатьма непередбачуваними факторами, включаючи описані вище взаємодії KIR/МНС та багато інших. Тим більше, коли існують випадки компенсації окремих порушень (таких як висока NK-цитотоксичність). За рахунок нормального функціонування інших ланок імунної системи навіть при однозначних, на перший погляд, порушеннях, що мали б призводити до негативних наслідків, вагітність може пройти нормально.

Варто нагадати, що природні кілери – це лише одна з багатьох ланок складної роботи як репродуктивної, так і інших систем. Тому при будь-якому підході до лікування, профілактики чи просто вивчаючи певний аспект репродуктології, розбираючись «хто на кого працює», слід враховувати цілісність і комплексність всіх систем організму.

Повний перелік літератури знаходиться у редакції.

 

  1. Campbell KS, Purdy AK. Structure/function of human killer cell immunoglobulin-like receptors: Lessons from polymorphisms, evolution, crystal structures and mutations. Vol. 132, Immunology. 2011 p. 315–25
  2. Cardenas GM and I. The Immune System in Pregnancy: A Unique Complexity. Am J Reprod Immunol. 2011;63(6):425–33.
  3. van den Heuvel MJ, Xie X, Tayade C, Peralta C, Fang Y, Leonard S, et al. A review of trafficking and activation of uterine natural killer cells. Vol. 54, American Journal of Reproductive Immunology; 2005 p. 322–31
  4. Moffett A, Shreeve N. First do no harm: uterine natural killer (NK) cells in assisted reproduction. Hum Reprod. 2015 Jul 30(7):1519–25
  5. Rodrigues MN, Favaron PO, Dombrowski JG, Souza RM de, Miglino MA. Role of natural killer (NK) cells during pregnancy: A review. Open J Anim Sci. 2013 Apr 18;3(2):138–44
  6. Zamai. VA. NK cells and cancer. J Immunol. 2007 Dec;76(1–2):40–4.
  7. Goldman-Wohl D, Yagel S. NK cells and pre-eclampsia. Reprod Biomed Online. 2008;16(2):227–31
  8. Long W, Shi Z, Fan S, Liu L, Lu Y, Guo X, et al. Association of maternal KIR and fetal HLA-C genes with the risk of preeclampsia in the Chinese Han population.
    Placenta. 2015;36(4):433–7
  9. Донськой БВ, Чернишов ВП, Судома ІО, Гончарова ЯО, Осипчук ДВ. ТЕОРІЯ ІМУННИХ АКЦЕНТУАЦІЙ: КЛІНІЧНІ ДОКАЗИ. Obstet Gynecol Genet. 2016;2(2):23–9