От чего "умирают" эритроциты? ( по материалам статьи Arias С., Arias С., 2017)

     Потребление кислорода организмом сильно варьируется вследствие таких факторов, как циркадные метаболические ритмы, интенсивность физической активности или даже колебания температуры окружающей среды. Следовательно, гомеостатические механизмы должны постоянно регулировать баланс между продукцией и разрушением эритроцитов, чтобы поддерживать соответствующее количество эритроцитов. Контроль производства эритроцитов с помощью Epo хорошо описан в литературе. Напротив, многие вопросы об уничтожении RBC остаются в основном без ответа. В частности, пока нет общепризнанного объяснения механизмов, лежащих в основе изменений в продолжительности жизни эритроцитов. Популяция эритроцитов (RBCs) в организме должна оставаться в определенных пределах для того, чтобы обеспечить оксигенацию тканей организма и поддерживать адекватные значения давления крови и вязкости. 

Эритрофагоцитоз

    Эритроциты человека обычно фагоцитируются макрофагами селезенки и печени в возрасте 120 дней. Разрушение эритроцитов в конечном итоге контролируется антагонистическими эффектами фосфатидилсерина (PS) и CD47 , влияющими на фагоцитарную активность макрофагов. Фагоцитоз эритроцитов макрофагов в MPS ( мононуклеарная фагоцитарная система) , как известен, опосредован фосфатидилсерином (PS) и CD47 . PS и CD47 были помечены как сигналы «съешь-меня» и «не-съели-меня» вследствие их про- и антифагоцитарного действия, соответственно. 

    Исследователи предложили концептуальную модель, которая объясняет продолжительность жизни эритроцитов как следствие динамики этих молекул. В частности,  PS и CD47 определяют молекулярный алгоритм, который устанавливает время фагоцитоза эритроцитов.

     Значительные изменения в продолжительности жизни эритроцитов, описанные в литературе, могут быть объяснены как альтернативные результаты этого алгоритма, когда он выполняется в различных условиях доступности кислорода. Представленная здесь теоретическая модель обеспечивает единую структуру для понимания различных эмпирических наблюдений, касающихся биологии эритроцитов. Это достигается с помощью гомеостатических механизмов, которые контролируют соотношение между выработкой и разрушением клеток и компенсируют любой дисбаланс между подачей и потреблением кислорода путем увеличения или уменьшения количества циркулирующих эритроцитов. 

Имеющиеся эмпирические данные, касающиеся динамики экспрессии PS и CD47 в мембране эритроцитов, можно обобщить следующим образом:

  • (E1) PS ограничен внутренним слоем клеточной мембраны во вновь образованных эритроцитах, поэтому он невидим для макрофагов. Такая мембранная асимметрия постепенно теряется при старении эритроцитов, что увеличивает воздействие PS на клеточную поверхность. Следовательно, про-фагоцитарный эффект PS усиливается с возрастом эритроцитов .

  • (E2) И наоборот, антифагоцитарная активность CD47 выше при рождении эритроцита.   Постепенно более низкая экспрессия белка или конформационные изменения в его пространственной структуре снижают его активность в качестве ингибитора фагоцитоза с возрастом клетки.

  • (E3) Эффекты PS и CD47 компенсируют друг друга , так что чистый баланс между PS и CD47 в эритроцитах определяет, уничтожен ли он макрофагами . Из точек E1 и E2 следует, что сигналы «не ешь меня» смещают сигналы «ешь меня» в мембране молодых эритроцитов, предотвращая их фагоцитоз. Разница между сигналами «съешь меня» и «не съешь меня» возрастает при старении эритроцитов, пока не достигнет критического порога, который вызывает их разрушение макрофагами MPS.

  • (E4) Также было отмечено, что эритроциты с достаточно низким уровнем CD47 также фагоцитируются независимо от количества PS, присутствующего на их поверхности. В этом случае молодые эритроциты не разрушаются из-за антифагоцитарного эффекта CD47 (доказательство E2). Из-за прогрессирующей потери активности CD47 в стареющих эритроцитах сигналы «не ешь-меня» в конечном итоге падают ниже определенного уровня, что вызывает фагоцитоз клетки. 

  •    Условия, которые запускают фагоцитоз эритроцитов (точки E3 и E4), по-видимому, одновременно выполняются старением эритроцитов. Однако, поскольку любой конкретный эритроцит может быть фагоцитирован только один раз, оба условия фактически являются взаимоисключающими. Только первый из порогов, которые должны быть достигнуты, определяет срок службы эритроцитов. С другой стороны, оба условия, по-видимому, выполняют одну и ту же цель, поскольку способствуют фагоцитозу старых эритроцитов и выживанию молодых клеток. Это поднимает вопрос о том, почему существуют два явно избыточных пути удаления эритроцитов. 

  •     Чтобы решить эту проблему, стоит начать с того, что отметим, что CD47 и PS также играют важную роль в борьбе с фагоцитозом других типов клеток с помощью макрофагов . В частности, CD47 широко экспрессируется у хозяина и отсутствует в чужеродных клетках, тогда как PS ограничен мембраной апоптотических клеток-хозяев. Эти паттерны экспрессии PS и CD47 позволяют макрофагам идентифицировать CD47 + клетки как собственные структуры. В этом случае сопровождающие высокие уровни PS распознаются как признак апоптоза, который запускает фагоцитоз клетки и высвобождение противовоспалительных сигналов, которые избегают аутоиммунитета против здоровых тканей. С другой стороны, отсутствие CD47 в клеточной мембране показывает наличие потенциальной инфекции. В отличие от бесшумного клиренса апоптотических клеток-хозяев, фагоцитоз CD47 - клеток сопровождается активацией макрофагов и секрецией провоспалительных сигналов, которые могут приводить к врожденному иммунному ответу.  Скорее всего, роль PS и CD47 в фагоцитозе эритроцитов (как описано в точках E3 и E4) следует этой общей схеме. Молодые эритроциты, такие как неапоптотические клетки-хозяева, демонстрируют высокий уровень CD47 и низкий уровень PS, что предотвращает их фагоцитоз макрофагами.  Среди старых эритроцитов те, у кого высокий PS и низкая экспрессия CD47, сравнимы с апоптотическими клетками-хозяевами, тогда как те, которые экспрессируют очень низкие уровни CD47, можно сравнить с чужеродными клетками. Справедлива гипотеза о существовании двух альтернативных путей фагоцитоза эритроцитов, которые влекут за собой различные реакции макрофагов. Путь, контролируемый балансом между PS и CD47 (E3), аналогичен удалению апоптотических клеток-хозяев. В частности, он не вызывает какого-либо иммунного ответа. В отличие от этого фагоцитоз эритроцитов с очень низкой экспрессией CD47 (E4) может быть аналогичен разрушению чужеродных агентов макрофагами и может вызывать аутоиммунные реакции против эритроцитов хозяина. В оставшейся части этой статьи стоит называть оба пути фагоцитоза "молчащими" и "иммунными" соответственно. 

  •      Существование специального механизма для провоцирования аутоиммунитета может показаться парадоксальным. Тем не менее, уже давно наблюдается, что аутоантитела, нацеленные на эритроциты хозяина, обычно присутствуют в организме. Антитела против RBC представляют собой природные ( естественные , натуральные )  антитела, продуцируемые клетками B-1. В отличие от антител из других подгрупп B-клеток, антитела B-1 обладают противовоспалительным действием, которое сводит к минимуму потенциальное побочное повреждение тканей хозяина. Это может объяснить, почему аутоантитела против RBC обычно безвредны и лишь изредка вызывают клинические нарушения, известные под общим термином аутоиммунная гемолитическая анемия. С другой стороны, природные антитела самопроизвольно продуцируются в отсутствие чужеродных антигенов , поэтому их специфичность для эритроцитов не может быть объяснена из-за перекрестной реактивности эпитопов эритроцитов и несамостоятельных структур, встречающихся при предыдущих инфекциях. Это поднимает вопрос о том, как эти аутоантитела продуцируются? 

  •      Предположение об иммунном пути фагоцитоза эритроцитов предполагает возможный ответ на этот вопрос. Макрофаги MPS экспрессируют молекулы MHC и поэтому могут действовать как антигенпрезентирующие клетки . Можно предположить, что после фагоцитирования эритроцитов с очень низкой экспрессией CD47 они инициируют адаптивный иммунный ответ, так же, как и после фагоцитирования чужеродных клеток. На самом деле, недавно было замечено, что удаления CD47 из самостоятельных эритроцитов действительно достаточно для запуска иммунного ответа у мышей. Тем не менее, поскольку эритроциты не являются патогенами, макрофаги MPS будут рекрутировать клетки B-1 вместо более агрессивных типов B-клеток, что приводит к выработке невоспалительных антител против эритроцитов хозяина. Функциональная роль этих анти-RBC аутоантител еще предстоит объяснить. В этом отношении  аутоиммунитет против эритроцитов вместе с эритрофагоцитозом и неоцитолизом вписывается в глобальную когерентную модель гомеостаза эритроцитов.

  •    Значительное снижение количества эритроцитов после кровоизлияния может привести к дефициту кислорода в тканях. Последующее повышение уровня Эпо в крови в конечном итоге восстанавливает популяцию эритроцитов и равновесие кислорода. Однако, учитывая, что этот процесс включает дифференцировку клеток-предшественников, может потребоваться несколько дней, чтобы вернуть популяцию к ее первоначальному размеру. Повышение порога молчания может сдерживать потерю клеток и способствовать поддержанию снабжения кислородом до тех пор, пока не будет завершено ЭПО-опосредованное восстановление популяции. В связи с этим отметим, что эмпирические данные свидетельствуют о том, что фагоцитоз макрофагов MPS действительно подавляется после кровоизлияний. Кроме того, макрофаги снабжены Epo-рецепторами , подразумевая, что настройка порога "молчаливого" фагоцитоза может напрямую контролироваться уровнями Epo в плазме. Как только равновесное содержание кислорода восстановится, уровни Epo вернутся к нормальным значениям, восстановив и "молчаливый" порог, и продолжительность жизни RBC.

  •  

Эритропоэтин

    Образование новых эритроцитов контролируется эритропоэтином (Epo) - гормоном, продуцируемым фибробластами перитубулярных капилляров в почке, который вызывает пролиферацию и дифференцировку клеток-предшественников эритроида в костном мозге. С другой стороны, эритроциты удаляются макрофагами мононуклеарной фагоцитарной системы (MPS) при прохождении через селезеночную и печеночную синусоиды. Макрофаги идентифицируют и фагоцитируют эритроциты, которые достигли критического возраста (120 дней у людей и 60 дней у мышей) в процессе, известном как эритрофагоцитоз. При гипоксии фибробласты увеличивают высвобождение Epo, тем самым ускоряя выработку новых клеток и повышая популяцию эритроцитов. И наоборот, если уровень кислорода поднимается выше физиологических потребностей (например, при акклиматизации к более высокому парциальному давлению кислорода после снижения до уровня моря с больших высот), фибробласты снижают выработку Epo и популяция эритроцитов сокращается до нового равновесного размера. 

    Роль Эпо в производстве эритроцитов и его связь с кислородным гомеостазом хорошо известны в литературе. Было выдвинуто предположение, что Epo также может контролировать начало неоцитолиза, модулируя взаимодействие между макрофагами MPS и молодыми циркулирующими эритроцитами . Теоретическая модель, представленная в этой работе, поддерживает эту гипотезу, предлагая явный механизм, который связывает Epo с определением продолжительности жизни RBC. Более того, эта модель предполагает, что неоцитолиз можно понимать как частное проявление более общей функции Epo как детерминанты разрушения эритроцитов. Эта функция будет заключаться в установлении продолжительности жизни эритроцитов путем корректировки порогов фагоцитоза и уровней экспрессии CD47 во вновь образованных клетках. Если эта модель окажется правильной, она объяснит различные реакции эритроцитов на изменения подачи кислорода в ткани. Например, люди, спускающиеся до уровня моря после высотной акклиматизации, демонстрируют резкие колебания Эпо из-за связанных с высотой изменений парциального давления кислорода. Эпо увеличивается во время акклиматизации к более высоким высотам и падает после возвращения к уровням моря, достигая более низких значений, чем те, которые были обнаружены до акклиматизации на высоте . Подобная динамика Эпо была описана у пациентов с малярией. Разрушение эритроцитов паразитами Plasmodium во время первых стадий малярии вызывает дефицит кислорода в тканях и последующее увеличение Epo. Напротив, более поздние стадии инфекции обычно связаны с недостаточной продукцией Epo . Эритропоэтин также падает, если парциальное давление кислорода увеличивается, например, во время космических полетов или при возврате к уровню моря после высотной акклиматизации. Вероятно, любое снижение Epo, как ожидается, будет оказывать аналогичное влияние на продолжительность жизни эритроцитов независимо от его причины. В рамках данной  модели эти эффекты варьируются от неоцитолиза до инициации гомеостатического аутоиммунитета. На самом деле, как неоцитолиз, так и сильный анти-RBC-ответ были описаны у космонавтов после космических полетов. Что касается малярийных инфекций, то и инфекции Plasmodium falciparum, и P. vivax вызывают аномальное удаление значительного числа непаразитизированных клеток (npRBCs). У некоторых пациентов с тяжелой анемией, вызванной малярией, разрушение npRBC может продолжаться даже спустя долгое время после того, как инфекция была вылечена. Следовательно, малярийная анемия не может быть объяснена просто прямым уничтожением инфицированных эритроцитов. Как селективная гибель молодых непаразитизированных эритроцитов, так и присутствие антител против эритроцитов предполагают, что неоцитолиз и гомеостатический аутоиммунитет могут играть важную роль в развитии анемии при малярии. В этой ситуации аномальное снижение Epo, которое характеризует последние стадии малярийной инфекции, будет ошибочно восприниматься организмом как вызванное избытком циркулирующих эритроцитов. Последующие нормальные гомеостатические механизмы (неоцитолиз и гомеостатический аутоиммунитет), запускаемые в аномальных условиях доступности кислорода, могут привести к аномальному сокращению популяции эритроцитов.

Окислительный стресс

    Даже если механизмы , которые регулируют изменения в продолжительности жизни эритроцитов остаются неясными, предполагалось , что RBC старение и смерть, в конечном счете вызваны системой окислительного стресса (ОС).  Постоянное воздействие высокореактивных кислородных радикалов приводит к повреждению мембраны и цитоплазмы эритроцитов, что в конечном итоге может нарушить их функцию . Фактически, более высокая чувствительность к ОС коррелирует с более короткой продолжительностью жизни. Это наблюдение было интерпретировано как свидетельство активного механизма, который бы устанавливал продолжительность жизни эритроцитов путем точной настройки экспрессии генов, которые придают устойчивость к ОС у предшественников эритроидов. При таком подходе человеческие эритроциты будут генетически сконфигурированы, чтобы демонстрировать признаки старения под управлением ОС в возрасте около 120 дней. Макрофаги MPS затем идентифицируют старые эритроциты посредством этих признаков. 

Неоцитолиз и эриптоз 

      Избыток кислорода также влечет за собой увеличение скорости разрушения клеток, вызванного неоцитолизом, гомеостатическим механизмом, который влечет за собой избирательное удаление эритроцитов только в возрасте 10 или 11 дней и способствует быстрому уменьшению количества клеток. Переход от 120 дней к 11 дням в зависимости от факторов окружающей среды указывает на то, что продолжительность жизни не является фиксированной внутренней характеристикой эритроцитов. Это подтверждается тем фактом, что эритроциты живут примерно на 40 дней меньше у новорожденных, чем у взрослых.  

    Неоцитолиз и эритрофагоцитоз в настоящее время рассматриваются как альтернативные механизмы удаления эритроцитов. В частности, предполагается, что эритрофагоцитоз является стандартным путем разрушения стареющих эритроцитов во время нормального гомеостаза, в то время как неоцитолиз каким-то образом вызывается снижением уровня Epo . Такие падения уровня  Эпо возникают, в частности, всякий раз, когда доступность кислорода в тканях превышает физиологические потребности. Например, люди, спускающиеся к уровню моря после периода акклиматизации на больших высотах, переходят от более низких к более высоким парциальным давлениям атмосферного кислорода. В этой ситуации популяция эритроцитов больше, чем необходимо для обеспечения снабжения тканей кислородом, и сокращается до нового равновесного размера за счет избирательного разрушения более молодых эритроцитов. Механизмы, лежащие в основе перехода от эритрофагоцитоза к неоцитолизу, остаются недостаточно изученными.

   Исследователи  предлагают, чтобы неоцитолиз и эритрофагоцитоз рассматривались не как независимые механизмы, а как альтернативные результаты алгоритма определения продолжительности жизни эритроцитов. Конкретно, оба процесса могут быть объяснены как вызванные различными паттернами экспрессии PS и CD47 в мембране вновь образованных эритроцитов.  RBC с большей разницей между экспрессией PS и CD47 является первым, достигшим порога молчаливого фагоцитоза, даже если он рождается позже. Кроме того, эта клетка уничтожается после короткого срока службы, в то время как другая пощадится и будет удалена только после достижения обычной продолжительности жизни RBC. Именно эти особенности и определяют неоцитолиз. Следовательно, согласно этой модели, неоцитолиз происходит, если эритроциты, образованные при более низких уровнях Epo, рождаются с большим количеством PS или меньшим количеством CD47 в их наружной мембране. Эмпирические данные указывают на последнее, поскольку молодые эритроциты показывают более низкие уровни CD47 и сходные уровни PS (по сравнению со старшими клетками) у людей, спускающихся к уровню моря после акклиматизации на большой высоте. Этот результат свидетельствует о том, что переход от эритрофагоцитоза к неоцитолизу не требует переключения между альтернативными механизмами разрушения эритроцитов. Вместо этого продолжительность жизни эритроцитов может варьироваться в континууме, который варьируется от 10 дней во время неоцитолиза до 80 дней у новорожденных и 120 дней у взрослых людей, в зависимости от уровня PS и / или CD47 при рождении клеток. Чтобы проиллюстрировать основной смысл этой работы и ради простоты, стоит продолжить обсуждение, предполагая, что Epo влияет только на экспрессию CD47 во вновь образованных эритроцитах. Аналогичные аргументы можно привести, если Epo также определит начальные уровни PS.

    Объяснение продолжительности жизни RBC, определяемой исключительно ОС, является неполным. Во-первых, не все старые эритроциты имеют типичные признаки серьезного повреждения, вызванного оксилительным стрессом , такие как "усадка клеток" и блеббинг мембран. На самом деле дефектные эритроциты любого возраста разрушаются не эритрофагоцитозом, а альтернативным механизмом, известным как эриптоз. Это говорит о том, что нормальные и поврежденные эритроциты следуют различным путям фагоцитоза. С другой стороны, 10-кратное снижение продолжительности жизни эритроцитов во время неоцитолиза потребовало бы значительного снижения устойчивости эритроцитов к окислительному повреждению.  Это умножило бы риск сбоя эритроцитов, особенность, которая кажется маловероятной для физиологического гомеостатического механизма. Альтернативно, неоцитолиз и эритрофагоцитоз могут быть вызваны различными механизмами , подразумевая, что некоторые аспекты продолжительности жизни эритроцитов не могут быть объяснены одним только оксилительным стрессом. 

      Окислительный стресс  не следует рассматривать в качестве ключевого детерминанта продолжительности жизни эритроцитов, даже если это вызывает разрушение фракции циркулирующих клеток, и, безусловно, устанавливает верхнюю границу потенциальной продолжительности эритроцитов в крови. Можно предположить, что продолжительность жизни устанавливается с помощью молекулярного алгоритма, который контролирует межклеточные взаимодействия между эритроцитами и макрофагами MPS. Такой алгоритм может позволить настроить параметры жизни эритроцитов различными способами, обеспечивая гибкую систему для адаптации количества клеток к потреблению кислорода в тканях.

      Можно сказать, что мы еще далеки от полного представления о биологии эритроцитов, понимания таких процессов,  как эритрофагоцитоз, неоцитолиз и кажущееся парадоксальным присутствие аутоантител против эритроцитов-хозяев в организме. Однако, возможно, что эти явления возникают как альтернативные результаты одних и тех же механизмов, работающих в разных условиях доступности кислорода. 

Аутоиммунные реакции в гомеостазе организма

      Неоцитолиз уменьшает количество эритроцитов, когда снабжение кислородом превышает потребности тканей организма. Можно предположить , что аутоиммунитет может обеспечить дополнительный механизм для ускорения сокращения популяции эритроцитов в таких обстоятельствах. Согласно модели, анти-RBC аутоиммунные ответы возникают в результате того же процесса, который приводит к неоцитолизу, а именно к снижению экспрессии CD47 во вновь образованных эритроцитах. Если популяция эритроцитов все еще больше, чем требуется после сокращения, вызванного неоцитолизом, уровни Epo продолжают падать. Вследствие этого вновь образованные эритроциты экспрессируют все меньше CD47 в своих мембранах . Эритроциты, чьи начальные уровни экспрессии CD47 выходят за пределы критической точки (обозначенной как аутоиммунный порог), фагоцитируются через иммунный путь. Последующее производство природных аутоантител будет способствовать гибели других эритроцитов, что приведет к дальнейшему сокращению эритроцитов.

      Представление об аутоиммунных реакциях против RBC как о гомеостатическом механизме подтверждается тем фактом, что природные антитела не нацелены на все циркулирующие эритроциты, что может привести к массовой и неконтролируемой потере клеток. Вместо этого они направлены против специфических эпитопов, обычно экспрессируемых в старых эритроцитах и ​​отсутствующих в молодых клетках . Кроме того, эритроциты любого возраста также защищены от действия аутоантител CD47, который, как известно, ингибирует фагоцитоз опсонизированных клеток . С другой стороны, защита, обеспечиваемая CD47, зависит от дозы, подразумевая, что разрушение отдельного эритроцита через этот антитело-опосредованный путь зависит как от его уровней CD47, так и от концентрации антител, присутствующих в крови. По этой причине только эритроциты с высокой экспрессией CD47 выживают в ходе более агрессивных ответов. Следовательно, интенсивность аутоиммунного ответа (то есть количество вырабатываемых аутоантител) определяет когорты разрушаемых эритроцитов и, следовательно, степень уменьшения количества клеток. В нормальных условиях сокращение популяции, вызванное аутоиммунитетом, должно в конечном итоге восстановить физиологический уровень кислорода. Согласно предположениям нашей модели, последующий рост Epo увеличит экспрессию CD47 в новых эритроцитах, остановив выработку антител против RBC . Дальнейшее увеличение исходного CD47 также будет прерывать неоцитолиз и восстанавливать продолжительность жизни эритроцитов до нормальных значений, наблюдаемых при эритрофагоцитозе. Следовательно, Epo-зависимая регуляция CD47 в новых эритроцитах создает переключение между молчащим и иммунным фагоцитозом и делает обратимыми процессы как неоцитолиза, так и гомеостатического аутоиммунитета.Эта модель также предполагает , что анти-RBC ответы срабатывает только тогда , когда уровни ОС являются достаточно низкими . Предполагая гомеостатическую природу аутоиммунитета, этот результат можно понимать как предотвращение выработки аутоантител в условиях тяжелой ОС. При этих обстоятельствах окислительное повреждение может вызвать ненормальное разрушение многих эритроцитов, что делает маловероятной необходимость в антителах против эритроцитов для удаления избытка клеток.

Литература

 

Fossati-Jimack L, da Silveira SA, Moll T, Kina T, Kuypers FA, Oldenborg P-A, Reininger L, Izui S. 2002 Selective increase of autoimmune epitope expression on aged erythrocytes in mice: implications in anti-erythrocyte autoimmune responses. J. Autoimmun.18, 17–2

Lang E, Qadri SM, Lang F. 2012Killing me softly—suicidal erythrocyte death. Int. J. Biochem. Cell Biol. 44, 1236–1243.

Jelkmann W. 2011 Regulation of erythropoietin production. J. Physiol.589, 1251–1258.

Wynn TA, Chawla A, Pollard JW. 2013Macrophage biology in development, homeostasis and disease. Nature 496, 445–455

Rice L, Alfrey CP. 2005 The negative regulation of red cell mass by neocytolysis: physiologic and pathophysiologic manifestations.Cell. Physiol. Biochem.15, 245–25

Trial J, Rice L. 2004 Erythropoietin withdrawal leads to the destruction of young red cells at the endothelial-macrophage interface.Curr. Pharmaceut. Des.10, 183–190

 

 

Категория сообщения в блог: 
Теги: 

Добавить отзыв