Физические тренировки как противовоспалительное средство: роль миокинов.

Мы все знаем что физические упражнения/тренировки благотворно влияют на здоровье нашего организма.

Наверное ещё со времён Гиппократа, а может и раньше это было известно. Но не смотря на свой возраст, эта тема актуальна и по сей день и является темой для защиты научных степеней, и исследовательской деятельности целых лабораторий и даже институтов.

Дело в том что исследователей, как и пожалуй большинство людей интересуют детали, и как раз в этом случае мы знаем и видим общую картину но не совсем разобрались с деталями которые и создают этот общий вид.
Лишь один пример, общей картины: мета-анализ 47 клинических исследований в которых суммарно участвовали 10794 пациентов страдающие коронарной недостаточностью показало что если в программу реабилитации вводить физические упражнения (аэробика, пешеходные и/или велосипедные прогулки) то общая смертность падает на 13%, смертность по причине сердечных нарушений на 26%.

Существуют множествo различных механизмов которыми исследователи пытаются объяснить этот феномен.
Относительно недавно норвежский учёный Бенте Педерсен (Bente Pedersen) со своими коллегами вывели гипотезу объясняющая благотворное влияние физических нагрузок на организм. Док. Педерсен подошёл к скелетным мышцам не только как к органу опорно-двигательного аппарата, а как к эндокринному органу, который при сокращении (как известно физические тренировки подразумевают многочисленное сокращение мышц) выделяют различные активные медиаторы которые в свою очередь и влияют на другие органы и системы (прежде всего на иммунную систему). Эти активные медиаторы были названы как миокины, сам процесс миокинез.

Секреторный эффект скелетных мышц во время физических тренировок.

Ничего похожего не слышали? Ведь правда миокины очень созвучны с цитокинами, и действительно некоторые миокины и являются цитокинами например Интерлейкин-6 (Interleukin-6, IL-6) который секретируется скелетными мышцами во время занятий физкультурой.

Существуют два противоположных, но в какой-то мере дополняющих друг друга мнений о том кто является источником этого миокинеза.

1) Это то что сами скелетные мышцы и являются источником выделения миокинов и/или другие клетки которые населяют мышечную ткань на "постоянной" основе, к таким клеткам относятся миосателлиты которые считаются клетками предшественниками "взрослых" миоцитов и которые активно делятся и дифференцируются при физических нагрузках что от части и объясняет увеличение мышечной массы.

2) Это эффект травмы. Долгое время считалось что боль в мышцах после продолжительных тренировок это эффект накопления молочной кислоты. На сегодняшний день становиться ясным что молочная кислота выводится из мышц после тренировок в течении 30 минут до нескольких часов, а как мы знаем боль приходит гораздо позже. При детальном изучении этого эффекта (боль в мышцах) исследователи пришли к выводу что причиной являются микротравмы скелетных мышц которые в свою очередь привлекают иммунные клетки, затем они активизируются и выделяют цитокины/миокины и тем самым запускают процессы воспаления, что в итоге и приводит к боли.

Мне лично больше импонирует вторая версия, эффект травмы, но опять таки что-то конкретно утверждать я не могу, лишь считаю что это мнение более логично обоснованным . Но с другой стороны полностью исключать вовлечение резидентных клеток мышечной ткани в миокинез, наверное было бы неправильно. В целом вопрос остаётся открытым...

Во-время физических тренировок, скелетные мышцы секретируют сотни пептидов, протеинов и других молекул которые обладают аутокринным, паракринным и эндокринным эффектом.
Лишь некоторые из них: интерлейкин-6, интерлейкин-15, лейкемия ингибиторный фактор (leukemia inhibitory factor), иризин (irisin), кальпротектин (calprotectin), мионектин (myonectin), онкостатин М (oncostatin M), остеонектин (osteonectin), функция некоторых из них изображена на верхнем рисунке.
Интерлейкин-6 (ИЛ-6) это один из первых цитокинов который был обнаружен в крови исследуемых людей после физических упражнений. Роль ИЛ-6 в иммунологии очень разнообразна и в какой-то степени противоречива. Так например, многие свидетельства указывают что ИЛ-6 является про-воспалительным медиатором и учавствует в прогрессии таких заболеваний как например ревматоидный артрит. Но в тоже время, ИЛ-6 активизирует экспрессию противо-воспалительных медиаторов в макрофагах такие как ИЛ-10, антагонист интерлейкин-1 рецептора. В области влияния физических тренировок, ИЛ-6 охарактеризован как "положительный" протеин который настраивает иммунную систему на противовоспалительный тон (рисунок ниже).

Противо-воспалительный эффект ИЛ-6 во время физических тренировок.

И если подразумевать что в той или иной степени гипер-воспаление или хроническое воспаление вовлечено во многие патологические процессы, то занятие физкультурой как противо-воспалительное средство, посредством экспрессии различных миокинов, может частично объяснить такой широкий и благотворный эффект.

Литература:
Am J Transl Res. 2014; 6(5): 422–438
Cochrane Database Syst Rev. 2011; 7:CD001800.
Nat Rev Rheumatol. 2014 Nov 25. doi: 10.1038/nrrheum

Толерантность как альтернативный, защитный механизм.

Классически принято считать что защитные механизмы хозяина против инфекции (в этом тексте хозяин будет подразумевать животное и/или человека) традиционно считаются иммунными, которые нацелены на опознавание и уничтожение внедрившихся патогенов. Но если брать другие организмы такие как растения то уже на протяжении многих лет известно что некоторые растения имеют способность "терпеть" в своём организме патогены, не уничтожая их с одной стороны и продолжая свою жизнедеятельность с другой стороны. Тем самым утверждая что в мире живых существ в ходе эволюционного развития существуют различные механизмы и стратегии которые нацелены на защиту хозяина от инфекционных заболеваний. Все эти тактики можно разделить на 3 группы:
1) Уклонение - это стратегия нацеленная на изменение поведения хозяина таким образом чтобы минимизировать контакт с патогеном и тем самым не быть инфицированным. Обычно этот вид защиты использует органы обоняния и вкусовые рецепторы. Возьмём классический пример, испорченная еда, это результат жизнедеятельности различных микробов которые вредны для нашего организма. Системы обоняния и вкуса распознают плохой продукт, благодаря соответственно плохому запаху и вкусу продукта, вы уклоняетесь его потреблять чтобы не заболеть.
2) Резистентность - это стратегия которая нацелена на уничтожение внедрившегося патогена. Резистентность это функция иммунной системы, которая детектирует, нейтрализует и уничтожает или выводит (как в случае с гельминтами) патогены из хозяина. Клетки врождённого и приобретённого иммунитета несут свой вклад на способность организма к резистентности патогена. Резистентность (в данном случае иммунорезистентность) часто идёт параллельно повреждению родной ткани. Так например, микробы индуцируют нейтрофилы высвобождать миелопероксидазу которая обладает хорошим бактерицидным действием но в тоже время миелопероксидаза это сильный окислитель который может убить не только бактерию но и родную клетку что при высокой концентрации приводит к иммунопатологии. И здесь идёт постоянный трейдинг в плане "результат оправдывает средства или нет?".
3) Толерантность - это стратегия при которой хозяин использует механизмы нацеленные на защиту своих органов жизнедеятельности и/или тканей от патологического воздействия инфекции но при этом не влияя на уровень патогенов в организме. Стоит различать толерантность к болезни и иммунотолерантность, толерантность к инфекционной болезни подразумевает приспособление клеток ткани к токсинам и другим вирулентным факторам которые экспрессируются непосредственно патогеном, когда как иммунотолерантность нацелена на нейтрализацию негативного эффекта иммунной системы в ответ на присутствие патогена или чужеродного антигенa.

Я думаю что первые две стратегии более или менее понятны для большинства читателей. Они известны достаточно долго и достаточно хорошо изучены. В целом, иммунология животных и человека в контексте изучения взаимоотношении хозяина с патогенами исследует механизмы резистентности.
Но толерантность к инфекционным заболеваниям относительно новое понятие по отношению к животным.
Впервые свидетельства толерантности хозяина к патогенам были найдены у растений в середине 20 века. В дальнейшем толерантность как альтернативная стратегия защиты была расширена на другие формы жизни. Так например, при изучении генома дрозофил были обнаружены гены при мутации которых значительно изменяется выживаемость мутированных мух но в тоже время эти мутации не влияли на уровень патогена в мухах, к таким генам относились гены кодирующие цитокины или гены контролирующие метаболизм в клетках.
В 2007 году было проведено первое в истории исследование изучающее толерантность у млекопитающих (мышы). Различные линии (strain) мышей инфицировали плазмодиями (Plasmodium chabaudi) которые вызывают малярию в различных дозах и наблюдали за такими параметрами патогенности паразита как анемия (количество эритроцитов) и вес животных. Результаты исследования ясно показали что различные  линии (что по умолчанию означает различные генотипы) мышей теряют эритроциты или вес во время инфекции по разному и у некоторых увеличение уровня патогена не пропорционально понижению эритроцитов, говоря что некоторые линии более толерантны чем другие.
Пример, если посмотреть на рисунок, то из него следует что у обоих хозяинов (линия) с увеличением уровня патогена уровень здоровья понижается, но хозяин (А) более толерантен к данному патогену чем (B) так как при увеличении уровня патогена  у (А) понижение здоровья происходит медленнее чем у (B).

 Механизмы....: В том же 2007 году, сами того не подозревая вышла в свет работа которая описывала вовлечение определённого гена в толерантность к малярийному паразиту. Это был Гем Оксигеназа-1 (heme oxygenase-1, HO-1) функция этого гена является, разрушение молекулы гема на ионы железа, биливердин и окись углерода (угарный газ) (детальное описание функции HO-1 http://naukageek.blogspot.com/2014/07/blog-post_17.html). При "активной" фазе малярийного плазмодия, он разрушает эритроциты и тем самым высвобождает гем, так как гем сам по себе очень токсичный то это приводит к повреждению тканей. Но в организме существуют механизмы его утилизации включая HO-1 ген. Исследователи показали что при экспрессии HO-1 выживаемость животных улучшается но при этом уровень плазмодий не понижается.

В целом сейчас механизмы толерантности активно изучаются так как именно в механизмах можно будет найти молекулу или ген который станет отправной точкой для фармакологов и фармацевтов чтобы синтезировать новые лекарства.
В заключение хотел бы сказать что те люди которые непосредственно занимаются иммунологией и/или инфекционными заболеваниями могут по достоинству оценить данное открытие. Ведь это открывает не только и не просто какой-то новый молекулярный механизм это открывает новый раздел в иммунологии и медицине в целом.

Литература:
Trends Immunol. 2014 Oct;35(10):483-94.
Science. 2012 Feb 24;335(6071):936-41.
Science. 2007 Nov 2;318(5851):812-4.
Nat Med. 2007 Jun;13(6):703-10.

Мезенхимальные Стволовые (Стромальные) Клетки, в поисках магической пули.....

Клеточная терапия вот что появляется (а вернее уже появилось) на горизонте биологических исследований. Раньше этаким светом в конце туннеля был ген и соответственно генная терапия, но после первых неудачных клинических испытаний горькое послевкусие сохранилось до сих пор.  А ведь 10-15 лет назад "здание" науки сотрясалось от восторгов и дифирамбов поющие его величеству ГЕН, вот это ядро всего живого, всех болезней и всего чего хочешь....но потом восторг сменился на успокоение, задумчивость и в итоге сейчас достаточно сильно поутих, но стоит сказать что определённые успехи в клинике были достигнуты (что было описано, в прошлом сообщении http://naukageek.blogspot.com/2014/04/blog-post_24.html). И вот настал черед другого события, клеточная терапия, люди начали употреблять данный термин с открытием и выделением эмбриональных стволовых клеток (ESC), где в лабораторных условиях можно было дифференцировать эти клетки в любую ткань человека, огромный ресурс таится в этих клетках как и огромные возможности их применения. И через некоторое время произошёл ещё один виток это открытие индуцированных плюропотентных стволовых клеток (iPS cells). Не надо повреждать эмбрион, но можно индуцировать стволовитость в обычных соматических клетках (например фибробласты) путём экспрессии нескольких генов (может быть без генной терапии мы и проживём но без генной инженерии никуда). Сейчас это всё дело изучают, проверяют, испытывают и говоря о прогрессе в этой области, стоит сказать что в сентябре-октябре этого года началось первое клиническое испытание iPS cells при макулярной дегенерации сетчатки, куда это нас всех заведёт покажет лишь время.

Мезенхимальные стволовые/стромальные клетки (МСК).
Смотря на все эти события иммунологи стоят как-то в стороне...ну и действительно ведь в теории дифференцированная ткань из стволовых клеток для чего? для того чтобы заменить повреждённую родную, наверное те кто занимается вопросами трансплантации, ишемических болезней, травм будет заинтересован в первую очередь. Но с другой стороны говорить о полной непричастности иммунологов к стволовым клеткам тоже неправильно, ведь исследования в области кроветворных стволовых клеток сделало большой вклад в современное понимание и методы исследования  стволовых клеток и первые кто этим занимались были гематологи, иммунологи и онкологи.
И тогда-то в 1974 году в небольшом журнале Transplantation была опубликована работа Friedenstein AJ и его коллег, где было впервые описаны мезенхимальные стволовые/стромальные клетки (МСК), тогда конечно они так не назывались, он их назвал как CFU-F-derived stromal cells (CFU-F - colony forming unit-fibroblast). CFU это экспериментальный показатель способности клетки воспроизводить себе подобную, создавать колонию, в наши дни одно из важнейших качеств стволовых клеток "self-renewal" определяется именно этим методом. Так вот этот учёный "вываливая" содержимое костного мозга в culture dish, заметил что после некоторого времени, клетки образуют фибробластные колонии, он выделил эти клетки и охарактеризовал их как клетки которые служат помощниками кроветворным стволовым клеткам, создавая для последних нишу для существования и доставляя питательные вещества.

Первое изображение МСК док.Фриденштейном

                 Transplantation 17, 331–340 (1974)

В дальнейшем МСК начали обнаруживать не только в костном мозге но и в других тканях такие как жировая ткань, лёгкие, печень, кровеносные сосуды другими словами практически везде. И для того чтобы держать "строй" и не путать МСК с другими видами клеток например фибробластами, группа исследователей вывела минимальные критерии которыми должны обладать МСК. 1) МСК должны быть plastic adherent, при культивировании их в culture dish они должны прилипать ко дну. 2) МСК должны экспрессировать ряд маркеров на своей клеточной мембране это  CD105, CD73 и CD90 и не экспрессировать CD45, CD34, CD14 или CD11b, CD79alpha или CD19 и HLA-DR что преимущественно гематопоэтические маркеры. И 3) МСК должны иметь способность дифференцироваться в как минимум 3 вида ткани это хрящевая, костная и жировая ткань.  Состав маркеров CD может меняться в зависимости от вида.

МСК и иммунитет.
И лишь спустя 28 лет, в 2002 году две научные группы независимо друг от друга идентифицировали что МСК могут ингибировать пролиферацию Т-лимфоцитов. В 2008 году, Катерина Ле Бланк со своими коллегами показали что МСК обладают терапевтическими свойствами при болезни трансплантат против хозяина, понижая реактивность Т-клеток донора на клетки реципиента и тем самым значительно улучшая выживаемость. И также было задокументировано что МСК действуют независимо от HLA донора, обусловлено это тем что МСК не экспрессируют MHC II class и на низком уровне MHC I class что делает их "иммунопривилегированными" клетками, чуть ли не идеальным кандидатом в области клеточной терапии. Эти статьи и результаты стали толчком для исследования МСК как иммунорегуляторные клетки и их потенциальное использование в иммунных расстройствах.
В 2009 году Nemeth K со своими коллегами опубликовали работу где впервые показали терапевтический эффект МСК при экспериментальной модели сепсиса. Эта работа также указывала на иммунорегуляторные способности МСК благодаря взаимодействию с моноцитами и макрофагами. В 2013 году, другая лаборатория показала что МСК также могут "общаться" с нейтрофилами и стимулировать их поедать бактерии, также было задокументировано влияние МСК на хемотаксис, релиз антимикробных пептидов и выживаемость нейтрофилов что также может иметь большое влияние выживаемость во время сепсиса.

Схематическое изображение многофункциональности МСК.

На счёт механизма действия то это сейчас является исследовательской темой многих лабораторий. Все механизмы можно условно разделить на два типа это прямой контакт МСК с иммунной клеткой и паракриновый эффект. Механизм прямого контакта в целом очень слабо изучен, лишь недавно была опубликована интересная работа которая утверждает что МСК производит перенос своих митохондрий в повреждённую клетку что в свою очередь восстанавливает энергетический баланс и не даёт повреждённой клетке умереть или есть свидетельства что к примеру МСК экспрессирует лиганды которые при прямом контакте соприкасаются и активизируют рецепторы на иммунных клетках что приводит к их активизации или наоборот инактивизации. Но мне если честно кажется что прямой контакт имеет маленькое влияние (если вообще имеет) на тот эффект который может иметь инъекция МСК в животных. Например, на мышиной модели сепсиса, исследователи вводят около 1 миллиона МСК, и эти 1 миллион улучшают выживаемость значительно, и представьте со сколькими иммунными клетками сможет контактировать этот 1 миллион....так что я больше склоняюсь к версии что МСК экспрессирует во внеклеточное пространство ряд активных медиаторов которые несут тот эффект которыми обладают МСК. И ещё одно, при различных моделях, включая сепсис, не обязательно вводить клетки, медия в которой культивировались МСК полностью подражает эффект самих клеток, что опять указывает на паракриновую составляющую.
В эти дни по всему миру насчитано более 344 клинических испытаний где используются МСК в качестве терапии при различных заболеваниях включая и иммунные расстройства такие как трансплантат против хозяина, системная красная волчанка, рассеянный склероз, болезнь Крона, острый респираторный дистресс-синдром.

P.S. Изначально МСК назывались мезенхимиальными стволовыми клетками, но в дальнейшем "стволовое" научное сообщество резко раскритиковало такое название утверждая что МСК не стволовые т.к. могут дифференцировать только в клетки мезодермального происхождения, существуют единичные статьи где исследователи смогли дифференцировать МСК в клетки других слоёв, но широкого применения эти исследования не получили из-за не идеальной воспроизводимостью экспериментов. Поэтому в дальнейшем название поменяли на мезенхимиальные стромальные клетки, в целом тоже не плохо т.к. когда вбиваешь в поисковик МСК (MSC) то что stem что stromal начинается на S.

Литература:
Transplantation 17, 331–340 (1974)
Exp Hematol. 2002 Jan;30(1):42-8.
Blood. 2002 May 15;99(10):3838-43.
Lancet. 2008 May 10;371(9624):1579-86.
Nat Med. 2009 Jan;15(1):42-9.