Видеть сквозь стенки: ученые нашли причину воспаления на уровне клеток
Ученые разработали методику, с помощью которой в режиме реального времени можно наблюдать за миграцией особых иммунных клеток сквозь стенки сосудов. Этот процесс происходит в организме человека при повреждении тканей или инфекциях и позволяет клеткам добираться до очага воспаления. Полученные данные помогут лучше понять процессы, протекающие на самых начальных этапах воспаления на клеточном уровне.
Агенты на задании
Когда в организм человека попадают инфекционные агенты, например бактерии или вирусы, иммунная система начинает с ними бороться, запуская воспалительный процесс. В нем центральную роль играют нейтрофилы — клетки крови, способные поглощать патогены и уничтожать их. Они образуются в красном костном мозге, после чего выходят в кровь и циркулируют по сосудам. Когда в организм проникает вредоносный агент, нейтрофилы переносятся кровью и, проходя сквозь клетки эндотелия (ткань, формирующая стенки сосудов), попадают в это место, в результате чего формируется очаг воспаления.
Нейтрофилы — самый многочисленный вид лейкоцитов (40–70% от общего количества белых клеток крови). Они умеют распознавать чужеродные агенты, захватывать и поглощать их — этот процесс называется фагоцитоз. Нейтрофилы проходят несколько стадий созревания.
Поскольку миграция нейтрофилов происходит при любых инфекциях, важно понимать, как протекает этот процесс и к каким изменениям в тканях он может привести. Однако до сих пор не существует подхода, который бы позволил в трехмерном пространстве в режиме реального времени и с максимальным разрешением наблюдать за миграцией этих клеток через эндотелий.
Ученые из Национального исследовательского нижегородского государственного университета имени Н.И. Лобачевского и Нижегородского государственного технического университета имени Р.Э. Алексеева первыми предложили подход, позволяющий детально исследовать процесс прохождения нейтрофилов сквозь стенки кровеносных сосудов.
— Предложенный нами метод позволил в режиме реального времени наблюдать процессы, происходящие при воспалении в организме. Нам удалось найти причины возможных осложнений при бактериальных инфекциях, к которым может привести нарушение целостности стенок сосудов, — рассказал «Известиям» руководитель проекта, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории сканирующей зондовой микроскопии ННГУ имени Н.И. Лобачевского Екатерина Горшкова.
Авторы разработали систему, состоящую из двух камер, закрепленных друг над другом. Благодаря наличию небольших отверстий они сообщались и нейтрофилы при необходимости могли перемещаться между ними. Далее на дно верхней камеры поместили тонкий слой клеток эндотелия, имитирующий стенку кровеносного сосуда. Нижняя емкость выступала в роли ткани, в которой развивалось воспаление, поэтому там находились клетки золотистого стафилококка (Staphylococcus aureus) — бактерии, вызывающей множество гнойных инфекций.
Ученые нанесли на слой эндотелиальных клеток нейтрофилы и наблюдали за тем, как последние преодолевают препятствие, отделяющее их от бактерий в нижней камере. Дальнейшие процессы, которые в человеческом организме связаны с процессом воспаления, ученые оценивали с помощью сканирующего ион-проводящего микроскопа.
Рожденные ползать
Исследование показало, что нейтрофилы активно «ползали» по слою в местах соединения соседних эндотелиальных клеток, поскольку именно здесь они могли создать пору и проникнуть через барьер в нижнюю камеру. Для этого они довольно быстро (всего в течение семи минут после нанесения на слой) устанавливали межклеточные контакты с клетками эндотелия. По мере того как миграция становилась более интенсивной, в эндотелиальном барьере начинали возникать повреждения за счет роящихся и выделяющих провоспалительные вещества нейтрофилов.
Наблюдалось значительное увеличение межклеточных пространств, повреждалась мембрана эндотелиоцитов, образовывались множественные отверстия, что иногда приводило к гибели клеток. Это объясняет случаи, когда в месте сильного воспаления стенки кровеносных сосудов повреждаются, приводя к кровотечениям.
— В дальнейшем мы планируем усовершенствовать систему наблюдения за миграцией нейтрофилов путем создания более совершенной системы камер, максимально имитирующей физиологические условия. Это позволит оценить не только морфофункциональные и механические, но и биохимические и иммунологические особенности процесса. Мы надеемся, что такой комплексный подход позволит не только выявить принципиально новые аспекты этого сложного процесса, но и приведет в будущем к созданию новых препаратов, позволяющих регулировать воспалительные реакции организма, — подчеркнула Екатерина Горшкова.
Это хороший шаг для теоретической науки и практических исследований, считает старший научный сотрудник кафедры иммунохимии Уральского федерального университета Михаил Болков.
— По большому счету это модель, которая позволяет анализировать, как именно клетки мигрируют в очаг воспаления и что при этом происходит, потому что все, что мы видим и знаем, — это из клеточной модели в культуре клеток или из тканей, которые мы берем у экспериментальных животных, или же у человека, если какой-то образец вырезается во время операции или вмешательства. В данном случае ученые получили возможность наблюдать за этим в режиме прямого эфира. И в этом есть свой интерес, поскольку можно увидеть, как будет меняться поведение нейтрофилов в различных условиях, например при добавлении лекарства, — отметил он.
Визуализация воспалительной реакции, безусловно, представляет большой интерес для медицинской науки, сказал «Известиям» ассистент кафедры общей и клинической микробиологии, иммунологии и аллергологии СамГМУ, врач аллерголог-иммунолог, кандидат медицинских наук Максим Золотов.
— Миграция лейкоцитов возникает при развитии большого числа заболеваний, в том числе хронических. Изучение этого процесса при патологических состояниях расширит наше понимание протекающих в организме реакций и позволит разработать новые способы диагностики и лечения, — пояснил эксперт.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Cells.
