Система комплемента
Термин «комплемент» впервые был предложен Borclet в результате наблюдения, что для реализации ряда иммунологических эффектов (гемолиз, бактерицидность) наряду с антителами необходим сывороточный фактор, разрушающийся при нагревании до +56°С. За 70 лет изучения комплемента было установлено, что он представляет собой сложную систему из 11 сывороточных белков, активность которых регулируется по меньшей мере таким же количеством факторов. Комплемент представляет собой систему каскадно действующих высокоэффективных протеаз, которые последовательно активируются за счет отщепления или присоединения пептидных фрагментов и в конечном счете приводит к бактериолизису или цитолизу. По сложности система комплемента сопоставима с системой свертывания крови, с которой связана, как и с системой кининов, функциональными связями. В филогенезе система комплемента появилась раньше иммунной системы. Онтогенетически это проявляется в том, что уже 6-недельный плод способен синтезировать отдельные компоненты системы, а с 10-й недели можно выявить гемолитическую активность синтезированных факторов, хотя нормальные концентрации всех С-компонентов определяются только в течение первого года после рождения. Из общего количества сывороточных белков на систему комплемента приходится около 10%. Она является основой защитных сил организма. Функциональные дефекты системы комплемента могут приводить к тяжелым рецидивирующим инфекциям и патологическим состояниям, обусловленным иммунными комплексами. Существует прямая функциональная связь между системой комплемента и фагоцитарной системой, поскольку прямое или опосредованное через антитела связывание компонентов комплемента с бактериями является необходимым условием фагоцитоза (опсонизация микроорганизмов). Комплемент – это доминирующий гуморальный компонент реакции воспаления, поскольку его продукты являются хемотаксинами и анафила-токсинами, оказывающими выраженное воздействие на фагоциты, обмен веществ и систему свертывания крови. Таким образом, комплемент относят к важным элементам системы резистентности, а также эффективного звена гуморального иммунитета. Кроме того, система комплемента включает важные факторы регуляции иммунного ответа.
Синтез и метаболизм С-факторов. Образование С-факторов происходит преимущественно в печени, костном мозге и селезенке. Особое положение занимает С1, который синтезируется, по-видимому, в эпителии тонкого кишечника. Макрофаги играют определяющую роль в синтезе компонентов комплемента, что отражает тесную филогенетическую связь между этими двумя системами. Непрерывное использование С-факторов в организме и высокий уровень их катаболизма определяют необходимость их непрерывного синтеза, причем скорость синтеза относительно высока. Для С3, например, ежечасно синтезируется 0,5-1,0 мг белка на 1 кг веса. Как активация и ингибирование, так и потребление и синтез находятся в лабильном равновесии. При этом сывороточные концентрации отдельных факторов, с одной стороны, и содержание фрагментов и продуктов расщепления - с другой, дают возможность оценить состояние и уровень активации всей системы.
С-факторы состоят, как правило, из нескольких полипептидных цепей. С3, С4 и С5 синтезируются в виде одной полипептидной цепи, в результате протеолитического расщепления которой образуются либо С3 и С5, либо только С4. Полипептидные цепи С1 и С8 синтезируются раздельно. Глюкозилирование осуществляется непосредственно перед секрецией и является необходимой предпосылкой этого процесса.
Снижение синтеза компонентов комплемента наблюдается при тяжелых заболеваниях печени, уремии и использовании высоких концентраций кортикостероидов, затрагивая преимущественно С3, С4 и С5. Сниженная концентрация С3 в сыворотке определяется также при хронической иммунокомплексной патологии за счет активации альтернативного пути с усиленным расходом этого компонента. Одновременно может происходить снижение синтеза этого компонента, что свидетельствует о существовании отрицательной обратной связи регуляции его синтеза через C3d.
Механизмы активации системы комплемента. Активация после начального этапа может развиваться в нескольких направлениях:
- классический путь активации комплемента, начиная с С1;
- альтернативный путь активации комплемента, начиная с С3;
- специфическая активация комплемента с образованием различных продуктов расщепления.
I. Классический путь активации системы комплемента. Классический путь активации комплемента - это иммунологически обусловленный процесс, инициированный антителами. Иммунологическая специфичность обеспечивается взаимодействием антител с антигенами бактерий, вирусов и клеток. Реакция антиген-антитело связана с изменением конфигурации иммуноглобулина, что приводит к формированию места связывания для Clq на Fc-фрагменте вблизи шарнирного участка. Связываться с С1 могут иммуноглобулины. Активация С1 происходит исключительно между двумя Fc-фрагментами. Поэтому каскад активации может быть индуцирован даже одной молекулой IgM. В случае антител IgG необходимо соседство двух молекул антител, что накладывает жесткие ограничения на плотность эпитопов антигенов. В связи с этим IgM является гораздо более эффективным инициатором цитолиза и иммунной опсонизации, чем IgG. Количественно эта оценка соответствует величине 800:1. Сам процесс активации комплемента можно разделить на определенные этапы:
1- распознавание иммунных комплексов и образование С1;
2 - образование С3-конвертазы и С5-конвертазы;
3 - образование термостабильного комплекса С5b, 6,7;
4 - перфорация мембраны.
Перфорация мембраны. Каждый образовавшийся комплекс С5b, 6,7 независимо от связывания с мембраной или экранировки S-белком соединяется с 1 молекулой С8 и 3 молекулами С9. Свободный С5b-С9-комплекс действует гемолитически, тогда как комплекс с S-белком этим действием не обладает. Два ассоциированных с мембраной С5b-С9-комплекса образуют в мембране кольцевую пару, что приводит к резкому изменению осмотического давления в клетке. Если эритроциты высокочувствительны к образованию такого дефекта мембраны, то ядросодержащие клетки способны к репарации дефектов этого типа и обладают определенной резистентностью к атаке комплемента. В связи с этим определяющим при взаимодействии комплемента с мембраной является общее количество связавшихся с клеткой молекул Clg, которое зависит от количества и класса связавшихся с клеткой антител. Среди бактерий существуют виды, устойчивые к действию комплемента. В этом случае решающим оказывается эффект опсонизации микроорганизмов с последующим фагоцитозом. Определенную роль при атаке комплементом грамотрицательных бактерий играет лизоцим. Некоторые особенности активации комплемента вытекают из общих закономерностей и определяются начальной активацией С1 растворимыми или преципитированными иммунными комплексами. Реакция протекает идентично вплоть до образования комплекса С5b, 6,7, что приводит к продукции хемотаксических факторов и анафилатоксинов. Аналогичные процессы происходят при внутривенном введении агрегированного IgG. Клинические проявления при этом могут варьировать от сывороточной болезни до анафилактического шока. Сочетание в составе растворимых иммунных комплексов Fc-фрагментов с адгезивными компонентами С5b, 6,7 может приводить к их отложению на клетках эндотелия и ассоциации с клетками крови, обусловливая целый ряд системных поражений. Такие иммунокомплексные механизмы создают основу для аллергических реакций типа III, каскада реакций активации комплемента, лавинообразному вовлечению в реакцию компонентов комплемента с нарастанием количества фармакологически активных фрагментов.
Альтернативный путь активации комплемента. При альтернативном пути активации комплемента в реакциях не участвуют факторы С1, С4, С2. Активация начинается при расщеплении С3 на фрагменты С3а и С3b. Дальнейшее течение процесса идентично классическому пути.
Pillemer впервые описал Mg+ зависимую «систему пропердина», в которой С3 был активирован зимозаном (полисахаридом) без участия антител. Другие нерастворимые полисахариды также могут выступать в роли активаторов (инулин, высокомолекулярный декстран), кроме того, активаторами могут служить бактериальные эндотоксины, агрегированные IgG4, IgA и IgE, иммунные комплексы с F фрагментами, протеазы (плазмин, трипсин), фактор яда кобры, С3b. При альтернативном пути активации действуют две С3-конвертазы. С3Вb обладает незначительной активностью и появляется при взаимодействии С3 с В, D и пропердином. С3Вb отделяет незначительное количество С3b, которое ведет к образованию высокоактивной конвертазы С3b, результатом действия которой является С3b. Возникает положительная обратная связь, значительно усиливающая реакцию. Подавление такого самопроизвольного усиления осуществляется за счет С3b-INA, который ингибирует образующийся в растворимой форме С3b. Фактор яда кобры является функциональным и структурным аналогом С3b, однако не ингибируется С3b-INA. Эндотоксины и полисахариды активируют пропердин и тем самым создают условия для связывания и стабилизации С3b, который ингибируется С3b-INA только в свободном состоянии. Определяющим этапом в альтернативном пути активации является образование С3b, который переносится на активированную поверхность. Процесс начинается связыванием С3b с В, причем этот этап зависит от присутствия Mg2+. С3bВ активируется за счет D в комплекс С3b Вb. Пропердин связывает С3b и таким образом стабилизирует спонтанно диссоциирующий комплекс Вb. Специфическим ингибитором альтернативного пути является В1Н. Он конкурирует с фактором В за связь С3b, вытесняя его из комплекса С3bВ и делая С3b доступным для действия С3b-INA. Цитолитическая активность альтернативного пути полностью определяется свойствами оболочки микроорганизмов и клеточной мембраны. Гликопротеины и гликолипиды, содержащие концевые остатки сиаловой кислоты придают мембране устойчивость к действию активированного по альтернативному пути комплементу, тогда как обработка нейраминидазой отменяет эту резистентность и делает клетки высокочувствительными. Сиаловые кислоты играют важную роль в резистентности микроорганизмов. Большинство видов бактерий не содержит в составе оболочки сиаловых кислот, однако многие патогенные виды их имеют. Антитела могут изменять свойства поверхности и таким образом повышать чувствительность мишеней к комплементу. Важным этапом в активации поверхности является связывание пропердина, в результате чего возникает высокоаффинный рецептор для С3b и одновременно образуется стабильный комплекс С3Вb. В связи с этим различают два вида активаторов альтернативного пути: 1) пропердинзависимые активаторы (полисахариды, эндотоксины, антитела); 2) пропердиннезависимые активаторы (фактор яда кобры, протеазы).
С5-конвертаза альтернативного пути активации возникает в результате связывания С3b с комплексом С3Вb в рамках механизма усиления, а последующее течение процесса соответствует классическому пути активации.
Альтернативная активация комплемента - это важный компонент системы неспецифической резистентности к бактериям, вирусам и одноклеточным микроорганизмам. Переход от неспецифической защиты к реакциям, опосредованным антителами, осуществляется плавно, либо оба процесса протекают параллельно. В качестве патогенетического звена альтернативная активация комплемента принимает участие во многих заболеваниях. Примерами могут служить:
- мембранопролиферативные нефриты с гипокомплементемией;
- острый гломерулонефрит после стрептококковой инфекции;
- нефриты при СКВ;
- болезнь голубеводов;
- грибковые инфекции;
- септицемии с шоком, обусловленным эндотоксинами;
- ночная пароксизмальная гемоглобинурия;
- парциальная липодистрофия.
Альтернативный путь наблюдается также в части случаев активации комплемента по классическому пути. При нефритах выявляется фактор C3NeF, который представляет собой комплекс аутоантител с С3bВb, резистентный к действию р1Н и функционирующий как С3-конвертаза. Эндотоксины за счет липида А являются эффективными активаторами не только альтернативного пути активации комплемента, но и системы свертывания, а также кининовой системы. Активация фактора XII играет при этом определяющую роль.
Неспецифическая активация комплемента. Неспецифическая активация комплемента может осуществляться протеазами (трипсин, плазмин, калликреин, лизосомные протеазы и бактериальные ферменты) на каждой стадии от С1 доС5. Исходный активированный фактор является гораздо более эффективным по сравнению с индуцирующей протеазой, причем при активации в жидкой фазе активация может начаться сразу в нескольких процессах. Возникают анафилатоксины, которые, помимо гемолитического действия, дают полную картину шока при остром панкреатите и тяжелых инфекциях. Неспецифическая активация является одним из компонентов острого воспаления.
Механизмы регуляции системы активации комплемента
I. Ингибирующие механизмы. Каждый этап каскада активации комплемента находится в равновесии с неактивированным состоянием. Ярко выраженные фармакологические эффекты продуктов активации требуют регуляции на различных уровнях.
В качестве лимитирующего фактора в системе активации по классическому пути выступает С2, который присутствует в наиболее низкой концентрации.
Другой ограничивающей группой факторов служит необходимость взаимодействия Clq с двумя Fc-фрагментами антител и возможность доступа к образовавшимся участкам связывания активаторов и субстратов реакции (С2а, С4b, С3b, и т. д. до С9). Нестабильность С2а, С4b, С5b и Вb в жидкой фазе препятствует неограниченному развитию реакции и обусловливает концентрацию процесса на активированной поверхности. Описаны специфические ингибиторы для Clr, Cls, C4b, С2, С3b, С6, С5b-6-7, Вb, С3а и С5а.
II. Стимулирующие механизмы. Наиболее важным механизмом усиления активации комплемента является положительная обратная связь, в результате которой появление С3b приводит к значительному ускорению образования этого продукта активации. Активированный пропердин стабилизирует Вb. Аналогичным образом реализуется эффект патологических аутоантител.
Биологические эффекты системы комплемента
I. Цитолиз и бактерицидность. Цитолиз и бактерицидность могут быть индуцированы следующим образом:
- иммунный цитолиз, обусловленный антителами IgM и IgG;
- СРВ (С-реактивный белок) - связь с последующей активацией комплемента;
- прямая активация пропердина через альтернативный путь активации клетками и бактериями;
- побочные эффекты при реакции иммунных комплексов;
- участие активированных фагоцитов.
II. Образование анафилатоксинов. Понятие «анафилатоксин» было впервые введено Friedberger. В данном случае имелся ввиду фрагмент С3а и фрагмент С5а, которые связываются на соответствующих рецепторах клеточной мембраны и обладают сходными фармакологическими эффектами:
- высвобождение гистамина и других медиаторов из тучных клеток и базофилов (С5а более эффективен по сравнению с С3а);
- сокращение гладкой мускулатуры и воздействие на микроциркуляцию (С3а эффективнее по сравнению с С5а);
- активация фагоцитов и секреция лизосомных ферментов (эффективность С3а и С5а сопоставима).
Для индукции локальной эритемы достаточно введение внутрикожно специального препарата. Внутрисосудистое образование этих фрагментов может привести к шоку через эффекты гистамина и кининов. Инактивация обоих анафилатоксинов осуществляется через отщепление С-концевого аргинина карбоксипептидазами. Рецепторы С3а и С5а не зависят друг от друга и их экспрессия регулируется системой отрицательной обратной связи. Эффекты анафилатоксинов могут быть также частично вызваны С4а и С2.
Хемотаксическое действие. Способностью индуцировать хемотаксис обладают С3а, С5а, а также лабильный высокомолекулярный комплекс С5b, 6,7 в растворимой форме. Этот комплекс специфичен для нейтрофилов, тогда как С3а и С5а действуют также на эозинофилы и моноциты. С3а-дезАрг и С5а-дезАрг также обладают хемотаксическим действием. Инактивация хемотаксических эффектов происходит при отщеплении N-концевой аминокислоты специфическими аминопептидазами. Нарушения хемотаксиса in vitro могут быть обусловлены гиперактивностью этих ферментов.
Адгезия, опсонизация и фагоцитоз. Эритроциты, нейтрофилы, моноциты, макрофаги и В-лимфоциты экспрессируют на мембране рецепторы для С3b или С4b, благодаря чему нагруженные этими фрагментами частицы связываются с мембраной перечисленных клеток (адгезия). Если активация комплемента происходит за счет антител, то речь идет об иммунной адгезии. Опосредованная комплементом связь частиц с фагоцитами значительно ускоряет их фагоцитоз. Сочетание рецепции С3b и С4b с рецепцией Fc-фрагментов антител обеспечивает удаление микроорганизмов, недоступных действию комплемент зависимого лизиса. Эритроциты служат одним из способов удаления С3b-нагруженных частиц, сорбируя их на свою мембрану и подвергаясь фагоцитозу макрофагами печени, селезенки и тканей. Одной из важных функций комплемента является удаление путем фагоцитоза растворимых ИК, что имеет существенное значение для IgM-содержащих ИК из-за отсутствия на фагоцитах рецепторов для Fcp. Иммунная адгезия имеет определенное значение для лабораторного определения растворимых иммунных комплексов, для чего используют клетки линии Raji. Тест ЕАС-розеткообразования (эритроциты - антитела - комплемент) служит для выявления С3b-рецепторов на мононуклеарных клетках.
Конглютинация. Конглютинины агглютинируют нагруженные комплементом эритроциты или частицы. Иммунные конглютинины представляют собой IgM-аутоантитела к таким эпитопам С3 или С4, которые обнаруживаются на молекуле лишь после активации комплемента. В результате альтернативный путь активации может усиливаться классическим путем, что делает возможным участие этого эффекта в механизмах резистентности. Существенно, что каждая активация комплемента приводит к возрастанию титров иммунных конглютининов, что выявляется по агглютинации нагруженных комплементов эритроцитов. Титры иммунных конглютининов повышаются после острых инфекционных заболеваний и в активной фазе ревматоидного артрита.
Нейтрализация вирусов. Система комплемента представляет собой важный фактор естественной резистентности против вирусной инфекции. Некоторые РНК-содержащие онкогенные вирусы способны непосредственно связывать Clq. Классическая активация комплемента в данном случае ведет к лизису инфекционного агента. Некоторые другие вирусы взаимодействуют с комплементом через СРВ. Кроме того, комплемент способен инактивировать вирус, находящийся в растворимом иммунном комплексе, что приводит к его опсонизации и фагоцитозу.
Противовирусное действие комплемента обусловлено следующими процессами:
- лизисом вируса за счет фрагментов от С1 до С9;
- агрегацией вируса за счет иммунных конглютининов;
- опсонизацией и фагоцитозом;
- блокадой вирусных лиганд для соответствующих рецепторов клеточной мембраны;
- блокадой пенетрации вируса в клетку.
Сам по себе комплемент не способен инактивировать пораженную вирусом клетку.
Разрушение иммунных комплексов. Появление иммунных комплексов, содержащих антитела класса IgG и IgM, связано с постоянной активацией комплемента. Активированные компоненты комплемента связываются с компонентами иммунных комплексов, включая как антитела, так и антигены, препятствуя тем самым образованию крупных агрегатов за счет стерических эффектов. Поскольку активация комплемента связана с появлением протеазной активности, происходит частичное разрыхление и расщепление образовавшихся агрегатов. Удаление продуктов распада из кровотока осуществляется благодаря опсонизации при помощи иммунофагоцитоза и иммуноэндоцитоза, в связи с чем важную роль играет доступность к связыванию с клеточными рецепторами ассоциированного с комплексами С3b. Отложившиеся в тканях иммунные комплексы удаляются также путем фагоцитоза, причем существенную роль в этом процессе играют плазмин и лизосомные ферменты.
Комплемент, свертывание крови и система кининов. Комплемент, система свертывания крови и система кининов тесно связаны между собой функционально. Речь идет о сложном комплексе механизмов, активация каждого из которых приводит к активации всего комплекса. Это отчетливо прослеживается при индуцированной эндотоксином реакции Санарелли-Швартцманна и состояниях, обусловленных иммунными комплексами. Калликреин, плазмин и тромбин активируют С1 и расщепляют С3, С5 и фактор В. Фактор ХIIА также может активировать С1, причем С1 расщепляется сначала плазмином, а затем продукты расщепления используются калликреином и фактором ХIIА. Активация тромбоцитов осуществляется через взаимодействие С3, фактора В, пропердина, фибриногена и тромбина. Активированные макрофаги и фагоциты - это важные источники тканевых протеаз и тромбопластина при всех видах воспаления. Активация всех трех систем происходит через активацию фактора XII (фактор Хагемана). С другой стороны, С1 = 1NН ингибирует как калликреин, так и фактор ХIIА. Таким же действием обладают ингибиторы протеаз - антитрипсин, макроглобулин и антихимотрипсин. В результате складывается система со сложной динамикой, которая может не только выполнять защитные функции, но и участвовать в патологических процессах.
Комплемент и опосредованные Т-клетками иммунные реакции. Система комплемента оказывает регуляторное действие как на Т-систему, так и на В-лимфоциты, причем в качестве основных медиаторов выступают фрагменты С3, фактор В и В1Н. На цитотоксических лимфоцитах (ЦТЛ) были выявлены ассоциированные с мембраной факторы и компоненты комплемента С5, С6, С7, С8 и С9. С другой стороны, изучение клеток-мишеней ЦТЛ с помощью электронного микроскопа показало, что в участке межклеточного контакта определяются структуры, аналогичные порам, формируемым при действии на мембрану факторов системы комплемента.
Диагностическое значение системы комплемента. Оценка системы комплемента направлена на решение следующих практических вопросов:
- участвуют ли в патогенезе заболевания активированные компоненты системы комплемента?
- имеются ли дефекты системы комплемента?
Для ответа на эти вопросы сначала проводят определение общей активности комплемента с помощью эритроцитов барана и инактивированной антисыворотки. В качестве источника комплемента используют исследуемую сыворотку в серийных разведениях и определяют титр, соответствующий 50% гемолизу. Результаты выражают в единицах СН50. Эритроциты кролика могут прямо активировать альтернативный путь активации комплемента и в этом случае активность исследуемой сыворотки измеряют в единицах АР 50. При остром и прогрессирующем потреблении комплемента, а также его дефектах наблюдается снижение активности комплемента. Для выявления дефекта по определенному фактору используются сыворотки, не содержащие изучаемый фактор, которые добавляют к исследуемой пробе. Используется также иммунохимическое определение отдельных компонентов системы комплемента (рокет-электрофорез и радиальная иммунодиффузия), однако этот подход не может заменить функциональных тестов, поскольку функционально неактивные аномальные белки и неактивные продукты расщепления могут привести к ошибочным определениям. Все исследуемые пробы следует сохранять до момента использования при температуре -70 °С. Изучение потребления комплемента может осуществляться с помощью радиоиммунного и иммуноферментного методов определения продуктов расщепления С3, С4 и В. Особое значение имеет количественный РИА для определения концентрации С5а, служащего показателем анафилактических реакций. При выявлении первичных и вторичных дефектов комплемента рекомендуется использовать следующую программу исследований:
- определение СН50, а возможно и АР50 для скрининга;
- количественное определение С4 и С3 для уточнения роли классического и альтернативного пути активации;
- подробный анализ Clq, С5, Р и других факторов.
В острой фазе воспаления, при опухолях и в течении послеоперационного периода активность комплемента повышена.
Комплемент при заболеваниях иммунной системы. Система комплемента играет важную роль при аллергических заболеваниях типа II (цитотоксические антитела) и типа III (иммунокомплексная патология, феномен Артюса). Роль комплемента подтверждается следующими данными:
- выраженное потребление комплемента (СН50 снижен, активность и концентрации факторов ниже нормы);
- появление продуктов распада компонентов в сыворотке (С4а, фрагменты С3, С5а);
- определяемые с помощью иммуногистохимического анализа специфических антител (анти-С3, анти-С4 и т. д.) отложения комплемента в тканях;
- выработка цитотоксических антител;
- свидетельства хронически повышенного расхода комплемента.
Характерными примерами могут служить следующие заболевания:
- острые вирусные инфекции (особенно часто проявляются эффекты иммунных комплексов при краснухе, кори, гепатите В, инфекции ЕСНО-вирусом);
- острые бактериальные инфекции (активация комплемента иммунными комплексами при стрептококковых инфекциях, например, при скарлатине; активация альтернативного пути при инфекции грамотрицательными микроорганизмами или эндотоксином);
- гломерулонефрит;
- аутоиммунные гемолитические анемии;
иммунные тромбоцитопении;
- системная красная волчанка;
- реакция обусловленного антителами отторжения трансплантата;
- ревматоидный артрит;
- сывороточная болезнь;
- криоглобулинемия, амилоидоз, плазмоцитома.
При всех этих заболеваниях оценка комплемента не вполне информативна, равно как и при широком спектре хронических заболеваний. Однако изучение этой системы позволяет сделать заключение об индивидуальной динамике течения заболевания. Исследование комплемента обязательно при наличии в анамнезе частых бактериальных инфекций в связи с возможностью генетически обусловленных аномалий. Это справедливо также для СКВ, которая часто ассоциирована с врожденными дефектами системы комплемента.
Синтез и метаболизм С-факторов. Образование С-факторов происходит преимущественно в печени, костном мозге и селезенке. Особое положение занимает С1, который синтезируется, по-видимому, в эпителии тонкого кишечника. Макрофаги играют определяющую роль в синтезе компонентов комплемента, что отражает тесную филогенетическую связь между этими двумя системами. Непрерывное использование С-факторов в организме и высокий уровень их катаболизма определяют необходимость их непрерывного синтеза, причем скорость синтеза относительно высока. Для С3, например, ежечасно синтезируется 0,5-1,0 мг белка на 1 кг веса. Как активация и ингибирование, так и потребление и синтез находятся в лабильном равновесии. При этом сывороточные концентрации отдельных факторов, с одной стороны, и содержание фрагментов и продуктов расщепления - с другой, дают возможность оценить состояние и уровень активации всей системы.
С-факторы состоят, как правило, из нескольких полипептидных цепей. С3, С4 и С5 синтезируются в виде одной полипептидной цепи, в результате протеолитического расщепления которой образуются либо С3 и С5, либо только С4. Полипептидные цепи С1 и С8 синтезируются раздельно. Глюкозилирование осуществляется непосредственно перед секрецией и является необходимой предпосылкой этого процесса.
Снижение синтеза компонентов комплемента наблюдается при тяжелых заболеваниях печени, уремии и использовании высоких концентраций кортикостероидов, затрагивая преимущественно С3, С4 и С5. Сниженная концентрация С3 в сыворотке определяется также при хронической иммунокомплексной патологии за счет активации альтернативного пути с усиленным расходом этого компонента. Одновременно может происходить снижение синтеза этого компонента, что свидетельствует о существовании отрицательной обратной связи регуляции его синтеза через C3d.
Механизмы активации системы комплемента. Активация после начального этапа может развиваться в нескольких направлениях:
- классический путь активации комплемента, начиная с С1;
- альтернативный путь активации комплемента, начиная с С3;
- специфическая активация комплемента с образованием различных продуктов расщепления.
I. Классический путь активации системы комплемента. Классический путь активации комплемента - это иммунологически обусловленный процесс, инициированный антителами. Иммунологическая специфичность обеспечивается взаимодействием антител с антигенами бактерий, вирусов и клеток. Реакция антиген-антитело связана с изменением конфигурации иммуноглобулина, что приводит к формированию места связывания для Clq на Fc-фрагменте вблизи шарнирного участка. Связываться с С1 могут иммуноглобулины. Активация С1 происходит исключительно между двумя Fc-фрагментами. Поэтому каскад активации может быть индуцирован даже одной молекулой IgM. В случае антител IgG необходимо соседство двух молекул антител, что накладывает жесткие ограничения на плотность эпитопов антигенов. В связи с этим IgM является гораздо более эффективным инициатором цитолиза и иммунной опсонизации, чем IgG. Количественно эта оценка соответствует величине 800:1. Сам процесс активации комплемента можно разделить на определенные этапы:
1- распознавание иммунных комплексов и образование С1;
2 - образование С3-конвертазы и С5-конвертазы;
3 - образование термостабильного комплекса С5b, 6,7;
4 - перфорация мембраны.
Перфорация мембраны. Каждый образовавшийся комплекс С5b, 6,7 независимо от связывания с мембраной или экранировки S-белком соединяется с 1 молекулой С8 и 3 молекулами С9. Свободный С5b-С9-комплекс действует гемолитически, тогда как комплекс с S-белком этим действием не обладает. Два ассоциированных с мембраной С5b-С9-комплекса образуют в мембране кольцевую пару, что приводит к резкому изменению осмотического давления в клетке. Если эритроциты высокочувствительны к образованию такого дефекта мембраны, то ядросодержащие клетки способны к репарации дефектов этого типа и обладают определенной резистентностью к атаке комплемента. В связи с этим определяющим при взаимодействии комплемента с мембраной является общее количество связавшихся с клеткой молекул Clg, которое зависит от количества и класса связавшихся с клеткой антител. Среди бактерий существуют виды, устойчивые к действию комплемента. В этом случае решающим оказывается эффект опсонизации микроорганизмов с последующим фагоцитозом. Определенную роль при атаке комплементом грамотрицательных бактерий играет лизоцим. Некоторые особенности активации комплемента вытекают из общих закономерностей и определяются начальной активацией С1 растворимыми или преципитированными иммунными комплексами. Реакция протекает идентично вплоть до образования комплекса С5b, 6,7, что приводит к продукции хемотаксических факторов и анафилатоксинов. Аналогичные процессы происходят при внутривенном введении агрегированного IgG. Клинические проявления при этом могут варьировать от сывороточной болезни до анафилактического шока. Сочетание в составе растворимых иммунных комплексов Fc-фрагментов с адгезивными компонентами С5b, 6,7 может приводить к их отложению на клетках эндотелия и ассоциации с клетками крови, обусловливая целый ряд системных поражений. Такие иммунокомплексные механизмы создают основу для аллергических реакций типа III, каскада реакций активации комплемента, лавинообразному вовлечению в реакцию компонентов комплемента с нарастанием количества фармакологически активных фрагментов.
Альтернативный путь активации комплемента. При альтернативном пути активации комплемента в реакциях не участвуют факторы С1, С4, С2. Активация начинается при расщеплении С3 на фрагменты С3а и С3b. Дальнейшее течение процесса идентично классическому пути.
Pillemer впервые описал Mg+ зависимую «систему пропердина», в которой С3 был активирован зимозаном (полисахаридом) без участия антител. Другие нерастворимые полисахариды также могут выступать в роли активаторов (инулин, высокомолекулярный декстран), кроме того, активаторами могут служить бактериальные эндотоксины, агрегированные IgG4, IgA и IgE, иммунные комплексы с F фрагментами, протеазы (плазмин, трипсин), фактор яда кобры, С3b. При альтернативном пути активации действуют две С3-конвертазы. С3Вb обладает незначительной активностью и появляется при взаимодействии С3 с В, D и пропердином. С3Вb отделяет незначительное количество С3b, которое ведет к образованию высокоактивной конвертазы С3b, результатом действия которой является С3b. Возникает положительная обратная связь, значительно усиливающая реакцию. Подавление такого самопроизвольного усиления осуществляется за счет С3b-INA, который ингибирует образующийся в растворимой форме С3b. Фактор яда кобры является функциональным и структурным аналогом С3b, однако не ингибируется С3b-INA. Эндотоксины и полисахариды активируют пропердин и тем самым создают условия для связывания и стабилизации С3b, который ингибируется С3b-INA только в свободном состоянии. Определяющим этапом в альтернативном пути активации является образование С3b, который переносится на активированную поверхность. Процесс начинается связыванием С3b с В, причем этот этап зависит от присутствия Mg2+. С3bВ активируется за счет D в комплекс С3b Вb. Пропердин связывает С3b и таким образом стабилизирует спонтанно диссоциирующий комплекс Вb. Специфическим ингибитором альтернативного пути является В1Н. Он конкурирует с фактором В за связь С3b, вытесняя его из комплекса С3bВ и делая С3b доступным для действия С3b-INA. Цитолитическая активность альтернативного пути полностью определяется свойствами оболочки микроорганизмов и клеточной мембраны. Гликопротеины и гликолипиды, содержащие концевые остатки сиаловой кислоты придают мембране устойчивость к действию активированного по альтернативному пути комплементу, тогда как обработка нейраминидазой отменяет эту резистентность и делает клетки высокочувствительными. Сиаловые кислоты играют важную роль в резистентности микроорганизмов. Большинство видов бактерий не содержит в составе оболочки сиаловых кислот, однако многие патогенные виды их имеют. Антитела могут изменять свойства поверхности и таким образом повышать чувствительность мишеней к комплементу. Важным этапом в активации поверхности является связывание пропердина, в результате чего возникает высокоаффинный рецептор для С3b и одновременно образуется стабильный комплекс С3Вb. В связи с этим различают два вида активаторов альтернативного пути: 1) пропердинзависимые активаторы (полисахариды, эндотоксины, антитела); 2) пропердиннезависимые активаторы (фактор яда кобры, протеазы).
С5-конвертаза альтернативного пути активации возникает в результате связывания С3b с комплексом С3Вb в рамках механизма усиления, а последующее течение процесса соответствует классическому пути активации.
Альтернативная активация комплемента - это важный компонент системы неспецифической резистентности к бактериям, вирусам и одноклеточным микроорганизмам. Переход от неспецифической защиты к реакциям, опосредованным антителами, осуществляется плавно, либо оба процесса протекают параллельно. В качестве патогенетического звена альтернативная активация комплемента принимает участие во многих заболеваниях. Примерами могут служить:
- мембранопролиферативные нефриты с гипокомплементемией;
- острый гломерулонефрит после стрептококковой инфекции;
- нефриты при СКВ;
- болезнь голубеводов;
- грибковые инфекции;
- септицемии с шоком, обусловленным эндотоксинами;
- ночная пароксизмальная гемоглобинурия;
- парциальная липодистрофия.
Альтернативный путь наблюдается также в части случаев активации комплемента по классическому пути. При нефритах выявляется фактор C3NeF, который представляет собой комплекс аутоантител с С3bВb, резистентный к действию р1Н и функционирующий как С3-конвертаза. Эндотоксины за счет липида А являются эффективными активаторами не только альтернативного пути активации комплемента, но и системы свертывания, а также кининовой системы. Активация фактора XII играет при этом определяющую роль.
Неспецифическая активация комплемента. Неспецифическая активация комплемента может осуществляться протеазами (трипсин, плазмин, калликреин, лизосомные протеазы и бактериальные ферменты) на каждой стадии от С1 доС5. Исходный активированный фактор является гораздо более эффективным по сравнению с индуцирующей протеазой, причем при активации в жидкой фазе активация может начаться сразу в нескольких процессах. Возникают анафилатоксины, которые, помимо гемолитического действия, дают полную картину шока при остром панкреатите и тяжелых инфекциях. Неспецифическая активация является одним из компонентов острого воспаления.
Механизмы регуляции системы активации комплемента
I. Ингибирующие механизмы. Каждый этап каскада активации комплемента находится в равновесии с неактивированным состоянием. Ярко выраженные фармакологические эффекты продуктов активации требуют регуляции на различных уровнях.
В качестве лимитирующего фактора в системе активации по классическому пути выступает С2, который присутствует в наиболее низкой концентрации.
Другой ограничивающей группой факторов служит необходимость взаимодействия Clq с двумя Fc-фрагментами антител и возможность доступа к образовавшимся участкам связывания активаторов и субстратов реакции (С2а, С4b, С3b, и т. д. до С9). Нестабильность С2а, С4b, С5b и Вb в жидкой фазе препятствует неограниченному развитию реакции и обусловливает концентрацию процесса на активированной поверхности. Описаны специфические ингибиторы для Clr, Cls, C4b, С2, С3b, С6, С5b-6-7, Вb, С3а и С5а.
II. Стимулирующие механизмы. Наиболее важным механизмом усиления активации комплемента является положительная обратная связь, в результате которой появление С3b приводит к значительному ускорению образования этого продукта активации. Активированный пропердин стабилизирует Вb. Аналогичным образом реализуется эффект патологических аутоантител.
Биологические эффекты системы комплемента
I. Цитолиз и бактерицидность. Цитолиз и бактерицидность могут быть индуцированы следующим образом:
- иммунный цитолиз, обусловленный антителами IgM и IgG;
- СРВ (С-реактивный белок) - связь с последующей активацией комплемента;
- прямая активация пропердина через альтернативный путь активации клетками и бактериями;
- побочные эффекты при реакции иммунных комплексов;
- участие активированных фагоцитов.
II. Образование анафилатоксинов. Понятие «анафилатоксин» было впервые введено Friedberger. В данном случае имелся ввиду фрагмент С3а и фрагмент С5а, которые связываются на соответствующих рецепторах клеточной мембраны и обладают сходными фармакологическими эффектами:
- высвобождение гистамина и других медиаторов из тучных клеток и базофилов (С5а более эффективен по сравнению с С3а);
- сокращение гладкой мускулатуры и воздействие на микроциркуляцию (С3а эффективнее по сравнению с С5а);
- активация фагоцитов и секреция лизосомных ферментов (эффективность С3а и С5а сопоставима).
Для индукции локальной эритемы достаточно введение внутрикожно специального препарата. Внутрисосудистое образование этих фрагментов может привести к шоку через эффекты гистамина и кининов. Инактивация обоих анафилатоксинов осуществляется через отщепление С-концевого аргинина карбоксипептидазами. Рецепторы С3а и С5а не зависят друг от друга и их экспрессия регулируется системой отрицательной обратной связи. Эффекты анафилатоксинов могут быть также частично вызваны С4а и С2.
Хемотаксическое действие. Способностью индуцировать хемотаксис обладают С3а, С5а, а также лабильный высокомолекулярный комплекс С5b, 6,7 в растворимой форме. Этот комплекс специфичен для нейтрофилов, тогда как С3а и С5а действуют также на эозинофилы и моноциты. С3а-дезАрг и С5а-дезАрг также обладают хемотаксическим действием. Инактивация хемотаксических эффектов происходит при отщеплении N-концевой аминокислоты специфическими аминопептидазами. Нарушения хемотаксиса in vitro могут быть обусловлены гиперактивностью этих ферментов.
Адгезия, опсонизация и фагоцитоз. Эритроциты, нейтрофилы, моноциты, макрофаги и В-лимфоциты экспрессируют на мембране рецепторы для С3b или С4b, благодаря чему нагруженные этими фрагментами частицы связываются с мембраной перечисленных клеток (адгезия). Если активация комплемента происходит за счет антител, то речь идет об иммунной адгезии. Опосредованная комплементом связь частиц с фагоцитами значительно ускоряет их фагоцитоз. Сочетание рецепции С3b и С4b с рецепцией Fc-фрагментов антител обеспечивает удаление микроорганизмов, недоступных действию комплемент зависимого лизиса. Эритроциты служат одним из способов удаления С3b-нагруженных частиц, сорбируя их на свою мембрану и подвергаясь фагоцитозу макрофагами печени, селезенки и тканей. Одной из важных функций комплемента является удаление путем фагоцитоза растворимых ИК, что имеет существенное значение для IgM-содержащих ИК из-за отсутствия на фагоцитах рецепторов для Fcp. Иммунная адгезия имеет определенное значение для лабораторного определения растворимых иммунных комплексов, для чего используют клетки линии Raji. Тест ЕАС-розеткообразования (эритроциты - антитела - комплемент) служит для выявления С3b-рецепторов на мононуклеарных клетках.
Конглютинация. Конглютинины агглютинируют нагруженные комплементом эритроциты или частицы. Иммунные конглютинины представляют собой IgM-аутоантитела к таким эпитопам С3 или С4, которые обнаруживаются на молекуле лишь после активации комплемента. В результате альтернативный путь активации может усиливаться классическим путем, что делает возможным участие этого эффекта в механизмах резистентности. Существенно, что каждая активация комплемента приводит к возрастанию титров иммунных конглютининов, что выявляется по агглютинации нагруженных комплементов эритроцитов. Титры иммунных конглютининов повышаются после острых инфекционных заболеваний и в активной фазе ревматоидного артрита.
Нейтрализация вирусов. Система комплемента представляет собой важный фактор естественной резистентности против вирусной инфекции. Некоторые РНК-содержащие онкогенные вирусы способны непосредственно связывать Clq. Классическая активация комплемента в данном случае ведет к лизису инфекционного агента. Некоторые другие вирусы взаимодействуют с комплементом через СРВ. Кроме того, комплемент способен инактивировать вирус, находящийся в растворимом иммунном комплексе, что приводит к его опсонизации и фагоцитозу.
Противовирусное действие комплемента обусловлено следующими процессами:
- лизисом вируса за счет фрагментов от С1 до С9;
- агрегацией вируса за счет иммунных конглютининов;
- опсонизацией и фагоцитозом;
- блокадой вирусных лиганд для соответствующих рецепторов клеточной мембраны;
- блокадой пенетрации вируса в клетку.
Сам по себе комплемент не способен инактивировать пораженную вирусом клетку.
Разрушение иммунных комплексов. Появление иммунных комплексов, содержащих антитела класса IgG и IgM, связано с постоянной активацией комплемента. Активированные компоненты комплемента связываются с компонентами иммунных комплексов, включая как антитела, так и антигены, препятствуя тем самым образованию крупных агрегатов за счет стерических эффектов. Поскольку активация комплемента связана с появлением протеазной активности, происходит частичное разрыхление и расщепление образовавшихся агрегатов. Удаление продуктов распада из кровотока осуществляется благодаря опсонизации при помощи иммунофагоцитоза и иммуноэндоцитоза, в связи с чем важную роль играет доступность к связыванию с клеточными рецепторами ассоциированного с комплексами С3b. Отложившиеся в тканях иммунные комплексы удаляются также путем фагоцитоза, причем существенную роль в этом процессе играют плазмин и лизосомные ферменты.
Комплемент, свертывание крови и система кининов. Комплемент, система свертывания крови и система кининов тесно связаны между собой функционально. Речь идет о сложном комплексе механизмов, активация каждого из которых приводит к активации всего комплекса. Это отчетливо прослеживается при индуцированной эндотоксином реакции Санарелли-Швартцманна и состояниях, обусловленных иммунными комплексами. Калликреин, плазмин и тромбин активируют С1 и расщепляют С3, С5 и фактор В. Фактор ХIIА также может активировать С1, причем С1 расщепляется сначала плазмином, а затем продукты расщепления используются калликреином и фактором ХIIА. Активация тромбоцитов осуществляется через взаимодействие С3, фактора В, пропердина, фибриногена и тромбина. Активированные макрофаги и фагоциты - это важные источники тканевых протеаз и тромбопластина при всех видах воспаления. Активация всех трех систем происходит через активацию фактора XII (фактор Хагемана). С другой стороны, С1 = 1NН ингибирует как калликреин, так и фактор ХIIА. Таким же действием обладают ингибиторы протеаз - антитрипсин, макроглобулин и антихимотрипсин. В результате складывается система со сложной динамикой, которая может не только выполнять защитные функции, но и участвовать в патологических процессах.
Комплемент и опосредованные Т-клетками иммунные реакции. Система комплемента оказывает регуляторное действие как на Т-систему, так и на В-лимфоциты, причем в качестве основных медиаторов выступают фрагменты С3, фактор В и В1Н. На цитотоксических лимфоцитах (ЦТЛ) были выявлены ассоциированные с мембраной факторы и компоненты комплемента С5, С6, С7, С8 и С9. С другой стороны, изучение клеток-мишеней ЦТЛ с помощью электронного микроскопа показало, что в участке межклеточного контакта определяются структуры, аналогичные порам, формируемым при действии на мембрану факторов системы комплемента.
Диагностическое значение системы комплемента. Оценка системы комплемента направлена на решение следующих практических вопросов:
- участвуют ли в патогенезе заболевания активированные компоненты системы комплемента?
- имеются ли дефекты системы комплемента?
Для ответа на эти вопросы сначала проводят определение общей активности комплемента с помощью эритроцитов барана и инактивированной антисыворотки. В качестве источника комплемента используют исследуемую сыворотку в серийных разведениях и определяют титр, соответствующий 50% гемолизу. Результаты выражают в единицах СН50. Эритроциты кролика могут прямо активировать альтернативный путь активации комплемента и в этом случае активность исследуемой сыворотки измеряют в единицах АР 50. При остром и прогрессирующем потреблении комплемента, а также его дефектах наблюдается снижение активности комплемента. Для выявления дефекта по определенному фактору используются сыворотки, не содержащие изучаемый фактор, которые добавляют к исследуемой пробе. Используется также иммунохимическое определение отдельных компонентов системы комплемента (рокет-электрофорез и радиальная иммунодиффузия), однако этот подход не может заменить функциональных тестов, поскольку функционально неактивные аномальные белки и неактивные продукты расщепления могут привести к ошибочным определениям. Все исследуемые пробы следует сохранять до момента использования при температуре -70 °С. Изучение потребления комплемента может осуществляться с помощью радиоиммунного и иммуноферментного методов определения продуктов расщепления С3, С4 и В. Особое значение имеет количественный РИА для определения концентрации С5а, служащего показателем анафилактических реакций. При выявлении первичных и вторичных дефектов комплемента рекомендуется использовать следующую программу исследований:
- определение СН50, а возможно и АР50 для скрининга;
- количественное определение С4 и С3 для уточнения роли классического и альтернативного пути активации;
- подробный анализ Clq, С5, Р и других факторов.
В острой фазе воспаления, при опухолях и в течении послеоперационного периода активность комплемента повышена.
Комплемент при заболеваниях иммунной системы. Система комплемента играет важную роль при аллергических заболеваниях типа II (цитотоксические антитела) и типа III (иммунокомплексная патология, феномен Артюса). Роль комплемента подтверждается следующими данными:
- выраженное потребление комплемента (СН50 снижен, активность и концентрации факторов ниже нормы);
- появление продуктов распада компонентов в сыворотке (С4а, фрагменты С3, С5а);
- определяемые с помощью иммуногистохимического анализа специфических антител (анти-С3, анти-С4 и т. д.) отложения комплемента в тканях;
- выработка цитотоксических антител;
- свидетельства хронически повышенного расхода комплемента.
Характерными примерами могут служить следующие заболевания:
- острые вирусные инфекции (особенно часто проявляются эффекты иммунных комплексов при краснухе, кори, гепатите В, инфекции ЕСНО-вирусом);
- острые бактериальные инфекции (активация комплемента иммунными комплексами при стрептококковых инфекциях, например, при скарлатине; активация альтернативного пути при инфекции грамотрицательными микроорганизмами или эндотоксином);
- гломерулонефрит;
- аутоиммунные гемолитические анемии;
иммунные тромбоцитопении;
- системная красная волчанка;
- реакция обусловленного антителами отторжения трансплантата;
- ревматоидный артрит;
- сывороточная болезнь;
- криоглобулинемия, амилоидоз, плазмоцитома.
При всех этих заболеваниях оценка комплемента не вполне информативна, равно как и при широком спектре хронических заболеваний. Однако изучение этой системы позволяет сделать заключение об индивидуальной динамике течения заболевания. Исследование комплемента обязательно при наличии в анамнезе частых бактериальных инфекций в связи с возможностью генетически обусловленных аномалий. Это справедливо также для СКВ, которая часто ассоциирована с врожденными дефектами системы комплемента.