Иммунные механизмы нейтрофильного воспаления при бронхиальной астме | Кузубова Н.А., Лебедева Е.С.

Введение

Бронхиальная астма (БА) — хроническое воспалительное гетерогенное заболевание дыхательных путей с различными фенотипами, которым страдают более 300 млн человек во всем мире [1]. Гетерогенность астмы затрудняет понимание патофизиологических механизмов заболевания. Одним из фенотипов БА является нейтрофильная астма, о наличии которой до сих пор ведутся споры, которая отличает­ся гетерогенностью [6], нет общепри­знанного четкого ее определения [2–5]. В исследовании австралийских ученых из 149 пациентов с диа­гностированной нейтрофильной астмой только у 7 был подтвержден стабильный, плохо контролируемый подтип нейтрофильной астмы с высоким риском обострений [6]. Условный термин «нейтрофильная астма» подразумевает определенный эндотип астмы, при котором нейтрофилы являются основным типом клеток, опосредующих патофизиологию и симптомы заболевания [2]. Для нейтрофильной астмы характерно нейтрофильное воспаление легких, тяжелое рефрактерное течение со стойкой обструкцией дыхательных путей, частыми обострениями и астматическим статусом, требующими госпитализации, высоким риском смертности и инвалидизации [7, 8]. Отличительной чертой нейтрофильно-доминантной астмы является резистентность к кортикостероидам, которая утяжеляет течение заболевания, делая его трудно контролируемым [3].

Фенотип БА обычно определяется по клеточному профилю индуцированной мокроты. В отношении нейтрофильной астмы вопрос о том, какой уровень нейтрофилии мокроты соответствует этому фенотипу, остается дискуссионным. По мнению ряда авторов [9, 10], диа­гностическим критерием для определения нейтрофильной астмы является присутствие в индуцированной мокроте менее 3% эозинофилов и увеличение количества нейтрофилов более 60–76%, или более 5×106 кл/мл. У здоровых людей средний процент нейтрофилов в индуцированной мокроте — 37% [11]. Очень разнятся данные о встречаемости нейтрофильного фенотипа среди когорты больных БА. В исследовании K.F. Chung [9] нейтрофильный фенотип определялся примерно у 30–50% пациентов с симптоматической астмой. В недавнем исследовании [12] только у 5–10% взрослых пациентов выявлялся фенотип неконтролируемой астмы с выраженной нейтрофилией дыхательных путей и меньшей чувствительностью к терапии кортикостероидами. В перекрестном многофакторном исследовании [13] нейтрофильный фенотип был установлен у 12 (15%) из 80 пациентов с БА. Нейтрофилы в мокроте являются не только маркером эндотипа астмы, но и прогностическим фактором, поскольку высокое содержание нейтрофилов обратно пропорционально отношению объема форсированного выдоха за 1-ю секунду (ОФВ1) к форсированной жизненной емкости легких (ФЖЕЛ) и ожидаемым значениям ОФВ1 до и после пробы с бронходилататором [14].

Доказано, что кортикостероиды и биологические препараты, используемые в терапии T2-воспаления, не подходят для лечения нейтрофильной астмы. В последние годы внимание направлено на выяснение клеточно-молекулярных механизмов нейтрофильного воспаления как потенциальных терапевтических мишеней и поиск биологических методов лечения тяжелой нейтрофильно-доминантной БА, нацеленных на патогенетические пути, отличные от T2-воспаления.

Клеточно-молекулярные механизмы нейтрофильного воспаления дыхательных путей

T-хелперы 17 и интерлейкин 17

Нейтрофильная астма тесно связана с иммунными реакциями Т-хелперов 17 (Th17) [15, 16]. Превращению наивных Тh0-клеток в клетки Th17 способствует тимусный стромальный лимфопоэтин (TSLP), секретируемый эпителиальными клетками дыхательных путей под влиянием аллергенов, сигаретного дыма, бактерий, вирусов и других внешних стимулов, распознаваемых Тоll-подобными рецепторами 3 [17, 18]. Интерлейкин (IL) 17, продуцируемый Th17-клетками и врожденными лимфоидными клетками 3-го типа (ILC3), считается ключевым цитокином в иммунопатогенезе нейтрофильной астмы [19]. Th17-ассоциированные провоспалительные цитокины (IL-17A, IL-17F и IL-22) воздействуют на бронхиальный эпителий, стимулируя продукцию нейтрофильных хемоаттрактантов CXCL1 и IL-8 [20], индуцируют активацию и миграцию нейтрофилов посредством IL-6 и фактора некроза опухоли α (TNF-α). Уровень экспрессии IL-17 коррелирует с тяжестью БА, инфильтрацией дыхательных путей нейтрофилами и кортикостероидной резистентностью. На основании сравнения количественного содержания клеток IL-17 и IL-17F в биоптатах бронхов, сыворотке крови и мокроте пациентов с тяжелой астмой был сделан вывод о том, что Th17-опосредованные иммунные реакции носят локальный характер, ограниченный дыхательными путями [21]. Транскриптомный анализ браш-биоптатов пациентов с тяжелой нейтрофильной астмой выявил значительную активацию IL-17-индуцируемых хемокинов, обладающих хемоаттрактантной активностью для нейтрофилов (CXCL1, 2, 3 и 8, CCL3, галектин-3) или способствующих гранулоцитопоэзу (G-CSF) [22]. Привлеченные в дыхательные пути нейтрофилы секретируют IL-8, создавая петлю положительной обратной связи и способствуя дальнейшему рекрутированию и нейтрофильному воспалению [23].

По последним данным, в дерегуляции Th17-клеток, приводящей к развитию нейтрофильной астмы, может участвовать развернутый белковый ответ (UPR), связанный со стрессом эндоплазматического ретикулума и накоплением в его просвете несвернутых или неправильно свернутых белков [21]. Авторы исследовали роль сенсорного белка передачи сигнала в мембране эндоплазматического ретикулума (IRE1) в функции Th17-клеток и нейтрофильном воспалении дыхательных путей. Цитокиновые сигналы (такие как IL-23, IL-6, лептин и др.) активируют сигнальный путь IRE1-XBP1s неканоническим JAK2-зависимым образом, инициируя развернутый белковый ответ и интенсивную секрецию Th17-ассоциированных цитокинов, усиливая нейтрофильную инфильтрацию в дыхательные пути. На мышиной модели нейтрофильной астмы, вызванной грибком Candida albicans, генетическая абляция ERN1 (IRE1) угнетала Th17-зависимые реакции и уменьшала нейтрофилию дыхательных путей [21]. По мнению авторов, выяснение точного механизма цитокиновой стимуляции IRE1 и значения активации этого сенсорного белка для дерегуляции функции Th17-клеток дыхательных путей может помочь в разработке нового терапевтического подхода для лечения устойчивой к стероидам тяжелой Th17-опосредованной БА.

Поляризация М1-макрофагов

Важная роль в иммунопатогенезе нейтрофильного воспаления дыхательных путей принадлежит макрофагам и врожденным лимфоидным клеткам (ILC) [24]. Провоспалительные цитокины (TNF-α, IL-6, IL-1β, IL-12, IL-23), секретируемые субпопуляцией М1-макрофагов, нацелены на рекрутирование и активацию нейтрофилов [25] и активацию ILC1 и ILC3, которые продуцируют IFN-γ и IL-17, что приводит к длительной нейтрофилии и кортикостероидной резистентности у пациентов с тяжелой БА [26]. Нейтрофильные внеклеточные ловушки (NET), выделенные у пациентов с неконтролируемой астмой, стимулировали дифференцировку M1-макрофагов и ILC3, способствуя нейтрофильному воспалению дыхательных путей [26]. Недавно было обнаружено, что кальций-связывающий белок S100A9, важнейший компонент NET, влияет на М1-поляризацию макрофагов, что подразумевает участие связки нейтрофилы — NET — макрофаги в иммунопатогенезе нейтрофильного эндотипа астмы [27]. Однако точные механизмы, лежащие в основе взаимодействия между ILC, нейтрофилами и макрофагами, не определены.

Поляризация и активация макрофагов М1 играют важную роль в патогенезе БА, связанной с ожирением, для которой характерны чрезмерная инфильтрация нейтрофилов в дыхательные пути и развитие нейтрофильного воспаления, механизмы которого до конца не ясны. Активация воспалительных M1-макрофагов, опосредованная взаимодействием лептина с рецептором лептина (obR), приводила к увеличению выработки мощного нейтрофильного хемоаттрактанта CXCL2 и притока нейтрофилов в легкие путем регулирования сигнальной системы JNK/STAT3/AKT [28]. В клинических исследованиях пациенты с нейтрофильной астмой, связанной с ожирением, имели более высокие уровни лептина в сыворотке и уровни поляризации M1-макрофагов в индуцированной мокроте, чем астматики без ожирения [28]. На мышиной модели нейтрофильно-доминантного аллергического воспаления интраназальное введение экзогенного IL-25 заметно подавляло нейтрофилию дыхательных путей посредством ингибирования поляризации M1-макрофагов и подавления экспрессии IL-12, IL-23 и других провоспалительных цитокинов (IL-1β, IFN-γ, TNF-α и IL-17A) [29].

Белок подавления онкогенности 2

Белок подавления онкогенности 2 (ST2), экспрессируемый большинством иммунных клеток врожденного и адаптивного иммунитета, рассматривается в качестве рецептора, способствующего активации нейтрофилов и нейтрофильному воспалению у пациентов с астмой. Циркулирующая растворимая форма ST2 (sST2) является рецептором-перехватчиком провоспалительного цитокина IL-33, который относится к категории аларминов и высвобождается из эпителиальных клеток дыхательных путей в ответ на повреждающее воздействие различных вдыхаемых стимуляторов, включая аллергены, загрязнители, микробные и вирусные агенты. Растворимый ST2 предотвращает связывание IL-33 с трансмембранной формой рецептора ST2 (ST2L), подавляя эффекты сигнального пути IL-33/ST2L в направлении активации Т2-иммунного ответа. Новые данные показали, что IL-33 является плейо­тропным цитокином, участвуя не только в иммунных реакциях Т2-воспаления, но и в связи с активацией нейтрофилов при неконтролируемой кортикостероид-резистентной астме [26, 30].

При отсутствии доступных сывороточных биомаркеров нейтрофильной астмы растворимый ST2 может служить диа­гностическим биомаркером неконтролируемой астмы, связанной с нейтрофильным воспалением дыхательных путей [26, 31]. Пациенты, у которых содержание sST2 превышало пороговое значение 15,0 нг/мл, имели тяжелый фенотип неконтролируемой астмы и высокие уровни нейтрофильных медиаторов воспаления — сывороточной миелопероксидазы, IL-8 и S100A9 [26]. В проспективном исследовании M. Watanabe et al. [32] высокие сывороточные уровни ST2 (>18 нг/мл) коррелировали с тяжестью астмы, содержанием пероксида водорода в дыхательных путях и IL-8 в сыворотке. В сочетании с нейтрофилезом крови (>6000/мкл) высокие уровни sST2 служили независимыми предикторами тяжелого обострения астмы в течение 3 мес. У 85,7% пациентов отмечался наиболее тяжелый фенотип астмы с ограничением скорости воздушного потока и нечувствительностью к кортикостероидам [32].

Накопленные данные позволяют рассматривать IL-33 и его рецепторы как терапевтические мишени для ведения пациентов с неконтролируемой астмой, сопровождающейся нейтрофильным воспалением дыхательных путей. Нейтрофилез при хроническом воспалении дыхательных путей, вызванном клещами домашней пыли, удавалось уменьшить путем лечения анти-IL-33-антителами [33]. Результаты рандомизированных клинических исследований [34, 35] показали, что применение моноклональных анти-ST2-антител облегчает течение тяжелой неконтролируемой БА. В исследовании Q.L. Quoc et al. [26] лечение моноклональным антителом против ST2 или антителом против IL-33 (астеголимаб) значительно подавляло нейтрофильное воспаление дыхательных путей и связанные с ним медиаторы воспаления, такие как миелопероксидаза, S100A9 и IL-17A, что подтверждает роль сигнального пути IL-33/ST2, блокада которого может ослабить или предотвратить нейтрофильное воспаление при плохо контролируемой, не реагирующей на традиционное лечение астме.

Нейтрофильные внеклеточные ловушки

Ряд исследователей [36, 37] поддерживают мнение, что приток нейтрофилов и образование NET играют ключевую роль в возникновении и прогрессировании нейтрофильной астмы. Нейтрофилы, активированные инфекционными патогенами или химическими раздражителями, могут выделять во внеклеточное пространство сетеподобные структуры, состоящие из хроматиновых нитей ядерной и митохондриальной ДНК, гистонов, гранулярных белков, активных форм кислорода. Известным триггером образования NET, преобладающим при бактериальных инфекциях, является липополисахарид внешней мембраны грам­отрицательных бактерий. Нейтрофильные внеклеточные ловушки оказывают прямое повреждающее воздействие на эпителиальные клетки бронхов с высвобождением аларминов, таких как тимусный стромальный лимфопоэтин, IL-33 и IL-25, нарушая целостность бронхиального эпителия и инициируя воспалительный процесс [36, 38]. Большое количество внеклеточной ДНК определялось в мокроте пациентов с тяжелой астмой, что предполагает присутствие NET в дыхательных путях [39]. Протеазные компоненты NET активируют IL-1 и IL-36, что еще больше усугубляет воспалительную реакцию при нейтрофильной астме.

C.H. Tsai et al. [37] идентифицировали 298 дифференциально экспрессируемых генов, спе­ци­фичных для неконтролируемой астмы, опосредованной нейтрофилами, и исследовали возможную взаимосвязь между NET и реакцией на ингаляционные кортикостероиды (ИКС). Авторы подтвердили, что кортикостероиды не способны подавлять активность нейтрофильных генов и нейтрофильное воспаление в клинических и экспериментальных условиях. На мышиной модели нейтрофильного воспаления дыхательных путей разрушение NET дезоксирибонуклеазой I (DNase I) эффективно подавляло нейтрофильное воспаление и гиперреактивность дыхательных путей. Экспрессия хемокина CCL4L2 положительно коррелировала с образованием и количеством нейтрофильных ловушек. Используя спе­ци­фичные для нейтрофилов транскриптомные профили, авторы обнаружили, что отсутствие реакции на ИКС связано с экспрессией хемокина CCL4L2 в легочной ткани, т. е. CCL4L2 может быть потенциальной терапевтической мишенью у пациентов с ИКС-рефрактерной нейтрофильной астмой. Однако в настоящее время отсутствуют терапевтические средства, способствующие образованию NET и подавлению нейтрофильного воспаления [40].

Микробиом дыхательных путей

На основании анализов мокроты в различных когортах больных БА было показано, что нейтрофилия дыхательных путей связана с обогащением бактериальной микробиоты грамотрицательными протеобактериями Haemophilus, Moraxella, Pseudomonas и Klebsiella [41, 42]. Присутствие в респираторном тракте респираторно-синцитиального вируса, риновируса или грибковой инфекции Aspergillus fumigatus также сопровождается нейтрофильным воспалением. Бактериальная инфекция выявляется у 50% пациентов с нейтрофильной астмой, а при обострении астмы цифра возрастает до 87,8% при уровне нейтрофилии более 65% [2]. Инфицирование патогенами дыхательных путей коррелировало с плохим контролем астмы и резистентностью к кортикостероидам. Результаты исследований позволяют предположить, что обогащение респираторного тракта потенциально патогенными агентами может способствовать нейтрофильному воспалению за счет активации Th17/IL-17-сигнальных путей [43].

Чаще всего в индуцированной мокроте пациентов с нейтрофильной астмой обнаруживается нетипируемый штамм гемофильной палочки (Haemophilus influenzae) [44]. Отпочковывающиеся от наружной мембраны бактерий везикулы диаметром от 20 до 400 нм служат для транспортировки к клеткам-мишеням факторов патогенности и модуляции иммунного ответа организма. Первой рецепторной клеткой-мишенью для везикул служат эпителиоциты бронхов, увеличивающие секрецию IL-17 и IL-1β с последующей активацией соответствующих IL-17- и IL-1β-зависимых сигнальных путей [45]. В опытах на мышах, сенсибилизированных к овальбумину, вдыхание аэрозоля, содержащего везикулы наружной мембраны гемофильной палочки, сопровождалось развитием нейтрофильного воспаления дыхательных путей [45]. Везикулы наружной мембраны вызывают активацию IL-8 в эпителиальных клетках посредством патоген-ассоциированных молекулярных паттернов. На основании данных, полученных в опытах in vitro и in vivo, предполагается, что доставляемые в цитозоль клетки-мишени липополисахариды наружной мембраны грамотрицательных бактерий вызывают каспаза-11-зависимую неканоническую активацию инфламмасом с развитием воспалительных реакций, включая нейтрофильное воспаление [46–48]. Авторы полагают, что бактериальные везикулы наружной мембраны могут быть потенциальной мишенью для подавления нейтрофильного воспаления. Однако точные механизмы, с помощью которых везикулы наружной мембраны гемофильной палочки способствуют патогенезу нейтрофильной астмы, еще предстоит выяснить.

Лечение тяжелой нейтрофильной БА

В настоящее время не существует эффективных биологических препаратов, подавляющих развитие нейтрофильного воспаления дыхательных путей. Несколько клинических исследований по изучению эффективности и безопасности биологических препаратов, воздействующих на патогенетически значимые для нейтрофильной астмы цитокины и их рецепторы, такие как IL-8 (CXCR1/2) и IL-17 (IL-17AR), не увенчались успехом [7]. В небольшом клиническом исследовании [49] ингибитор CXCR1/2 значительно снижал количество нейтрофилов в мокроте, но приводил лишь к умеренному улучшению контроля астмы. В рандомизированном плацебо-контролируемом исследовании фазы IIa [50] применение моноклонального антитела бродалумаба, блокатора рецептора IL-17А, у пациентов со среднетяжелой и тяжелой астмой не привело к какому-либо улучшению клинического состояния по данным опросника ACQ и показателю ОФВ1. Другое моноклональное антитело секукинумаб, ингибитор IL-17А, не смог подавить нейтрофильное воспаление дыхательных путей, вызванное озоном, у здоровых добровольцев.

Внедрение в практику клинических и экспериментальных исследований транскриптомных технологий открывает новые возможности для расшифровки ключевых клеточно-молекулярных механизмов, определяющих характер иммунной инфильтрации дыхательных путей и тяжесть астмы, а также для тестирования и оценки терапевтической эффективности потенциальных биологических препаратов. С помощью методов биоинформатики и анализа транскриптома клеток бронхиального эпителия были идентифицированы 10 генов и сывороточных белков, связанных со статусом нейтрофильной астмы, из которых пять (MMP-9, EDAR, PLA2G2E, IL1RL1 и элафин) были комплементарны известным клиническим факторам и связаны с рекрутированием нейтрофилов и ремоделированием дыхательных путей (ММР-9) [8]. Анализ транскриптома трахеобронхиального эпителия позволил оценить потенциальную терапевтическую эффективность препарата репариксина, низкомолекулярного ингибитора рецепторов IL-8 (CXCR1 и CXCR2), участвующих в рекрутировании нейтрофилов [8]. На клеточной линии бронхиального эпителия человека репариксин предотвращал повреждение, вызванное липополисахаридом. Анализ полимеразной цепной реакции в реальном времени подтвердил, что он может заметно снижать уровни экспрессии CXCR1, CXCR2 и MMP-9. Использование транскриптомики бронхиальных эпителиальных клеток для понимания молекулярных механизмов иммунной инфильтрации дыхательных путей, связанной с тяжестью астмы, имеет большое значение для разработки новых терапевтических средств контроля тяжелой БА, резистентной к традиционной терапии.

Заключение

На сегодняшний день отсутствует однозначное представление о фенотипе нейтрофильной БА, имеющей более тяжелое течение и не отвечающей на терапию кортикостероидами. В настоящее время в клинике и эксперименте активно изучаются доминирующие клеточно-молекулярные механизмы иммунопатогенеза нейтрофильного воспаления, включающего множество сигнальных путей, ключевые молекулы которых могут быть эффективными биомаркерами развития нейтрофильной астмы. Проводится поиск биологических молекул-мишеней для создания новых таргетных лекарственных средств, нацеленных на перепрограммирование иммуных реакиций и восстановление нарушенной иммунной регуляции, в этой связи весьма перспективным может быть использование транскриптомных и протеомных технологий.

Сведения об авторах:

Кузубова Наталия Анатольевна — д.м.н., заместитель директора по научной работе НИИ пульмонологии ФГБОУ ВО ПСПбГМУ им. И.П. Павлова Мин­здрава Рос-

сии; 197022, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Льва Толстого, д. 6-8; ORCID iD 0000-0002-1166-9717.

Лебедева Елена Сергеевна — к.б.н., ведущий научный сотрудник НИИ пульмонологии ФГБОУ ВО ПСПбГМУ им. И.П. Павлова Мин­здрава России; 197022, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Льва Толстого, д. 6-8; ORCID iD 0000-0001-6887-0166.

Контактная информация: Кузубова Наталия Анатольевна, е-mail: kuzubova@mail.ru.

Прозрачность финансовой деятельности: никто из авторов не имеет финансовой заинтересованности в представленных материалах или методах.

Конфликт интересов отсутствует.

Статья поступила 10.07.2024.

Поступила после рецензирования 02.08.2024.

Принята в печать 27.08.2024.

ABOUT THE AUTHORS:

Natalia A. Kuzubova — Dr. Sc. (Med.), Deputy Director of Science, National Research Institute of Pulmonology of the Pavlov First Saint Petersburg State Medical University; 6-8, Lev Tolstoy str., St. Petersburg, 197022, Russian Federation; ORCID iD 0000-0002-1166-9717.

Elena S. Lebedeva — C. Sc. (Bio.), Leading Researcher, National Research Institute of Pulmonology of the Pavlov First Saint Petersburg State Medical University; 6-8, Lev Tolstoy str., St. Petersburg, 197022, Russian Federation; ORCID iD 0000-0001-6887-0166.

Contact information: Natalia A. Kuzubova, е-mail: kuzubova@ mail.ru.

Financial Disclosure: no authors have a financial or property interest in any material or method mentioned.

There is no conflict of interest.

Received 10.07.2024.

Revised 02.08.2024.

Accepted 27.08.2024.