Цель исследования – детальное изучение гистологических изменений и механизмов, лежащих в их основе, а также факторов, влияющих на скорость и степень ремоделирования дыхательных путей.
Материалы и методы иследования
Поиск научной информации проводили в отечественной (e-Library) и зарубежных базах данных (PubMed, Scopus, Oxford University Press, Springer, Web of Science Core Collection).
Результаты исследования и их обсуждение
В настоящее время имеются различные исследования, которые описывают структурные изменения стенки респираторного тракта, связанные с аллергическим воспалением, включающие нарушение целостности эпителиального барьера, субэпителиальный фиброз, гиперплазию бокаловидных клеток, гипертрофию гладких мышц, повышенный ангиогенез и др. [1, 2].
Эпителиальные клетки имеют на своей поверхности рецепторы распознавания образов (PRR), которые связываются с аллергеном, что приводит к преобразованию дендритных клеток за счет секреции хемокинов и цитокинов, таких как CCL2, CCL20, IL-12, IL-12p40, TSLP и GMCSF. Однако хроническое воспаление и длительная стимуляция этими хемокинами и цитокинами приводят к аберрантному восстановлению тканей и ремоделированию дыхательных путей, что является ключевым звеном патофизиологических состояний, наблюдаемых у больных БА [3, 4].
При бронхоконстрикции и бронхоспазме эпителиальные клетки подвергаются действию сжимающих сил, величина которых превышает нормальные физиологические условия. В ответ на данный процесс вырабатываются трансформирующий фактор роста (TGF-β) и эпидермальный фактор роста (EGF), что приводит к повышенной пролиферации бокаловидных клеток, утолщению субэпителия и гиперсекреции слизи [5].
Внеклеточный матрикс ткани легкого состоит из разнообразной группы белков и гликопротеинов, включая структурные белки, такие как коллаген и эластин, фибронектин, гликозаминогликаны, протеогликаны. При длительном воспалении происходит повышенное отложение белков внеклеточного матрикса в области базальной мембраны, собственной пластинке и подслизистой оболочке, что способствует утолщению стенки дыхательных путей и обструкции воздушного потока. Кроме того, при изменении соотношения коллагеновых и эластических волокон происходит нарушение архитектоники легочной ткани. Так, при увеличении коллагеновых волокон наблюдается ригидность легких, и, наоборот, при увеличении эластических волокон отмечаются высокая податливость и снижение упругости, что является неотъемлемым компонентом ремоделирования [6].
Привлечение иммунных клеток усиливает степень ремоделирования дыхательных путей за счет высвобождения TGF-β и интерлейкина 13 (IL-13) как иммунными, так и эпителиальными клетками. Эти факторы способствуют дифференцировке фибробластов в миофибробласты и выработке металлопротеиназ, которые вызывают структурные изменения в дыхательных путях астматиков. Гипертрофия и гиперплазия гладкой мускулатуры дыхательных путей (ASM) являются характерными чертами дыхательных путей у больных БА. Помимо фибробластов, гладкомышечные клетки при астме также продуцируют повышенное количество внеклеточного матрикса (ECM), включая коллаген и фибронектин [7, 8]. Также интерес представляют исследования, доказывающие тот факт, что взаимодействие IgE с клетками гладких миоцитов бронхов приводит к прямому аллергензависимому воздействию и непрямому цитокинопосредованному влиянию. Данный процесс проявляется аномальной гипертрофией гладких мышц, их гиперплазией, а также утолщением базальной мембраны, ведущей к фиброзу, что коррелирует со степенью тяжести БА [9].
Все эти изменения способствуют формированию гиперчувствительности и обструкции дыхательных путей, что и приводит к ограничению воздушного потока, прогрессирующему снижению функции легких у больных, страдающих данным заболеванием [9].
Современная классификация нарушений иммунной регуляции при БА
В настоящее время описаны два основных эндотипа астмы: 2-го типа с высоким уровнем воспаления (Т2-высокий, эозинофильный) и 2-го типа с низким уровнем воспаления (Т2-низкий, неэозинофильный). Астма с высоким уровнем Т2 характеризуется эозинофильным воспалением дыхательных путей с высоким содержанием эозинофилов в крови, БА 2-го низкого типа охватывает нейтрофильную астму. Также существует смешанный гранулоцитарный эндотип, характеризующийся сосуществованием эозинофильного и нейтрофильного воспаления дыхательных путей [10, 11].
Известно, что БА, при которой выявляется высокая инфильтрация тканей бронхов нейтрофилами, относится к эндотипу тяжелой астмы, характеризующейся снижением функции легких, более выраженным воспалением дыхательных путей и менее выраженным ответом на лечение. Данный факт подтверждает актуальность исследования патогенеза и гистологических изменений в тканях при нейтрофильной астме. Образование нейтрофильных внеклеточных ловушек (NETs) является одной из функций нейтрофилов, они увеличиваются при возникновении воспаления и могут подвергаться процессу нетоза, высвобождая NETs за пределы клеток [12].
Роль образования внеклеточных ловушек нейтрофилов и эозинофилов при воспалении бронхов
Образование внеклеточных ловушек нейтрофилов считается одним из ключевых механизмов заболевания при нейтрофильном воспалении бронхов. NETs представляют собой структуры, похожие на паутину, которые состоят из ДНК и антимикробных белков, и способны связывать патогены, предотвращая их распространение. Механизм образования нейтрофильных ловушек достаточно сложен, в его основе лежит ряд молекулярных перестроек самой клетки. Итогом данного процесса являются разрыв плазмалеммы и высвобождение во внеклеточное пространство высокого уровня протеаз, антимикробных белков, активных форм кислорода, необходимых для уничтожения патогена. Однако длительное пребывание патогенных факторов приводит к чрезмерной активации нейтрофилов, увеличению числа внеклеточных ловушек, высвобождению большой концентрации провоспалительных веществ, что и лежит в основе поддержания хронического воспаления бронхов с дальнейшей перестройкой их клеточного и тканевого состава, то есть ремоделирования [13].
Модели на животных ценны для понимания патофизиологии ремоделирования тканей при БА, гистологического изучения изменений в тканях и разработки как эффективных диагностических методов, так и терапевтических средств. Различные методики моделирования БА позволяют воссоздать процессы аллергического воспаления дыхательных путей и определить механизмы, лежащие в основе их патогенеза [14]. Именно поэтому представляет интерес работа M. Xia и соавторов (2022 г.) по созданию мышиной модели аллергической астмы с преобладанием нейтрофилов, в которой выявили, что мыши, подвергшиеся воздействию овальбумином (OVA) / полным адъювантом Фрейнда (CFA) / липополисахаридом в низких дозах (LPS), продуцировали большое количество нейтрофильных внеклеточных ловушек (NETs) в легочной ткани. Данная модель характеризуется массивным нейтрофильным воспалением и тяжелой гиперреактивностью дыхательных путей. Кроме того, обнаружили, что вырабатывалось большое количество NETs, которые коррелировали с тяжестью воспаления дыхательных путей [15].
Внеклеточные ловушки эозинофилов также способны стимулировать прогрессирование астмы с помощью нейроиммунных сигналов, что подтверждается в работе Y Lu и соавт. 2021. Было показано, что эозинофильные внеклеточные ловушки (eosinophil extracellular traps, EET) в жидкости для бронхоальвеолярного лаважа связаны с тяжестью астмы у пациентов; кроме того, обнаружили, что EET усиливают гиперплазию бокаловидных клеток, выработку слизи, и инфильтрацию воспалительных клеток [16]. В процессе ээтоза ядра эозинофилы начинают терять свою форму, нуклеолемма распадается, а ДНК заполняет цитоплазму. Далее происходят разрыв плазматической мембраны и выброс сетей ДНК, что имеет сходство с процессами нетоза (neutrophil extracellular DNA trap cell death, NETosis). В результате происходит высвобождение эозинофильных внеклеточных ловушек, а также содержимого гранул эозинофилов. EET выделяют цитотоксические катионные белки, которые могут усугублять повреждение дыхательных путей и привести к их ремоделированию[17, 18].
В работе L. Fang с соавт. (2020 г.) при изучении мышиной модели бронхиальной астмы, вызванной тропомиозином креветок, сенсибилизацию проводили с помощью внутрибрюшинных инъекций в дни 0, 7, 14, а затем интраназальным введением в течение семи дней подряд. После проведения эксперимента были выявлены различные изменения в тканях дыхательных путей. Инфильтрация тканей эозинофилами привела к выраженному воспалительному процессу на фоне высокой продукции провоспалительной эозинофильной пероксидазы. Каскад воспалительных реакций инициировал гиперплазию бокаловидных клеток с повышением секреции мукопротеинов, отложением коллагена, утолщением гладкой мускулатуры у животных, длительное время подвергавшихся воздействию данного аллергена, что, в свою очередь, способствовало изменению структуры тканей респираторного тракта [19]. Ремоделирование дыхательных путей в данном эксперименте является следствием длительного воспаления и репаративных процессов, которые не сопровождались полным физиологическим восстановлением клеточного и тканевого состава. Это еще раз доказывает, что эозинофилы, участвующие в аллергическом воспалении, играют одну из ведущих ролей в реализации данного процесса [19].
Изучение ряда гистопатологических изменений в тканях бронхов при воздействии аллергена анисакиса также выявило ряд особенностей. Анизакидоз остается актуальной проблемой во всем мире, поскольку это заболевание, вызываемое личиночными стадиями нематод семейства Anisakidae в результате употребления морской рыбы и морепродуктов, характеризуется не только поражением желудочно-кишечного тракта, но и токсико-аллергическими проявлениями, такими как отек Квинке, крапивница, а значит, и возможным развитием БА. Чаще всего данное заболевание характерно для работников, занятых обработкой морепродуктов и рыбной муки, которые непосредственно подвергаются воздействию анисакиса [20, 21]. Данные о возможном развитии БА при длительном контакте с этим аллергеном явились основой для проведения исследования. Эксперимент был проведен на 4-недельной мышиной модели БА, вызванной введением анисакиса, после чего были оценены различные маркеры ремоделирования тканей дыхательных путей. Для исследования легочной паренхимы изготавливали гистологические образцы и окрашивали их по различным методикам. При окрашивании периодической кислотой Шиффа выявлено значительное увеличение количества бокаловидных клеток с гиперпродукцией слизи, окрашенных в пурпурно-пурпурный цвет. При окрашивании трихромом Массона ткани приобретали голубой цвет, что свидетельствует об избыточном отложении субэпителиального коллагена. Также была описана инфильтрация образцов эозинофилами и нейтрофилами при окрашивании гематоксилином и эозином [21].
Роль эпидермально-мезенхимальных переходов в патогенезе БА
Все больше внимания привлекают работы, изучающие такое явление, как эпидермально-мезенхимальные переходы (ЭМП). Некоторые авторы считают, что ЭМП – это транзиторный процесс изменения свойств клеток под влиянием различных стимулов, таких как хронический воспалительный процесс. Предполагается, что в патогенезе БА может иметь место эпидермально-мезенхимальный переход 2-го типа, характеризующийся переходом зрелых эпителиальных клеток в фибробласты, миофибробласты с последующей гиперпродукцией коллагеновых волокон. Однако данный механизм ставится под сомнение, так как для его реализации клетки эпителия должны выйти за пределы базальной мембраны, что пока не нашло научного подтверждения [22, 23].
Изменения в структуре и функции эпителия и сосудов дыхательных путей при БА
Изменения в структуре и функции эпителия дыхательных путей являются характерной чертой БА. Респираторный эпителий служит естественным барьером для различных факторов, способных проникать в стенку бронхов и взаимодействовать с иммунными клетками, вызывая аллергическое воспаление. В основе этого барьера лежит способность клеток продуцировать компоненты слизи с защитными факторами, механически очищать поверхность слизистой оболочки путем работы мукоцилиарного клиренса, а также возможность образовывать непроницаемый пласт клеток за счет плотных контактов (десмосом и полудесмосом) между собой и с базальной мембраной. Кроме того, эпителиальные клетки продуцируют различные цитокины и хемокины, которые привлекают и активируют воспалительные клетки, помогающие в удалении или нейтрализации чужеродных молекул [24, 25]. Однако чрезмерная активация эпителиальных клеток является одним из инициаторов воспаления при астме, что приводит к нарушению эпителиального барьера и может инициировать возникновение хронического воспаления, характеризующегося разрушением межклеточных соединений, десквамацией эпителиоцитов и свободным прохождением аллергенов в подлежащие слои респираторного тракта [26].
В одном из исследований, целью которого было определить, облегчает ли метформин воспаление дыхательных путей при экспериментальной аллергической астме, авторы рассмотрели роль неоваскуляризации в процессе ремоделирования дыхательных путей. Примечательно, что патофизиологические изменения, такие как воспаление дыхательных путей и процессы ремоделирования, тесно связаны с увеличением сосудистой сети в субэпителиальном пространстве дыхательных путей. Неоваскуляризация способствует постоянному притоку воспалительных клеток и медиаторов, а также обеспечивает больший приток кислорода, питательных веществ и факторов роста для аномальной клеточной пролиферации и формирования гиперреактивности [27, 28].
Длительный воспалительный процесс способствует более активной миграции аллергенов из просвета бронхов в сосуды дыхательных путей, что приводит к их системному присутствию в кровотоке, а значит, может инициировать каскад иммунологических реакций, приводящих к генерации и поддержанию воспаления в месте контакта с аллергеном [29, 26].
Иммуноферментативный анализ образцов крови, представленный в работе по изучению уменьшения воспаления и ремоделирования дыхательных путей при экспериментальной бронхиальной астме путем введения овальбумина, показал, что концентрация овальбумин-специфического IgE в сыворотке и факторов, связанных с ангиогенезом, включая факторы роста эндотелия сосудов, значительно повышается в плазме мышей с БА. Ангиогенез характеризуется активацией эндотелиальных клеток факторами роста, повышением эндотелиального митоза, далее происходят разрушение базальной мембраны металлопротеиназами, миграция эндотелиальных клеток к ангиогенным факторам с последующим формированием и стабилизацией нового капиллярного сосуда. Наконец, формируется базальная мембрана, развиваются контактные взаимодействия между эндотелиацитами и рекрутируются перициты [25, 30].
Для выявления закономерностей процесса ремоделирования тканей в данной работе использовалась мышиная модель хронической БА, инициированная овальбумином. В результате проведенной работы установлен ряд гистопатологических изменений. Изучение срезов легких, окрашенных гематоксилином и эозином, периодической кислотой Шиффа и трихромом Массона, показало наличие выраженной инфильтрации воспалительными клетками, гиперсекреции слизи и субэпителиального фиброза за счет увеличения площади отложения коллагена вокруг бронхиол, что, в свою очередь, способствовало утолщению их стенки [25, 30].
Изменения структуры и массы гладкой мускулатуры бронхов в процессе ремоделирования дыхательных путей
В процессе ремоделирования тканей при БА происходит увеличение массы гладкой мускулатуры бронхов (BSM), что приводит к снижению функции легких и увеличению частоты обострений. В исследованиях, проведенных T. Trian и соавторами, были выявлены закономерности, позволяющие утверждать, что решающая роль в изменении структуры гладкой мускулатуры астматических бронхов принадлежит избыточному окислению жирных кислот в митохондриях клеток. Связано это с тем, что в гладких миоцитах при аллергическом воспалении отмечается увеличение массы митохондрий [31].
Были также изучены клетки гладкой мускулатуры бронхов при БА. Авторами исследованы механизмы окислительного стресса, синтеза АТФ, эндоцитоза жирных кислот, выработки метаболитов, метаболические способности митохондриальной сети, клеточная пролиферация и апоптоз. Митохондрии являются основными источниками клеточной энергии, в свою очередь, β-окисление жирных кислот – наиболее мощный способ выработки АТФ. Таким образом, авторы предположили, что в клетках гладкой мускулатуры при БА энергетический метаболизм смещен в сторону β-окисления жирных кислот. Таким образом, установлено повышение скорости митохондриального дыхания в клетках гладких миоцитов при БА, что подтверждалось увеличением продукции АТФ и митохондриального β-окисления. Ремоделирование протеома BSM происходило двумя каноническими митохондриальными путями. Уровни карнитинпальмитоилтрансферазы (CPT)2 и рецептора липопротеинов низкой плотности (LDL), которые усваивают жирные кислоты через митохондриальные и клеточные мембраны, соответственно, были повышены в клетках BSM при БА. Блокирование CPT2 или рецептора LDL резко и специфически снижает пролиферацию клеток BSM. Смещение метаболизм BSM в астматических клетках в сторону β-окисления жирных кислот может представлять потенциальную мишень для снижения пролиферации клеток BSM у пациентов с астмой [31, 32].
Роль стромально-взаимодействующей молекулой 1 (STIM1) в ремоделировании клеток гладкой мускулатуры дыхательных путей
В работе M.T. Johnson и соавторов на основе экспериментальной модели формирования БА у мышей, вызванной аллергеном клещей домашней пыли, была показана роль стромально-взаимодействующей молекулой 1 (STIM1) в ремоделировании клеток гладкой мускулатуры дыхательных путей посредством метаболического и транскрипционного перепрограммирования и секреции цитокинов, включая IL-6. Эта модель позволила измерить цитозольные колебания Ca2+ в гладких миоцитах бронхов. STIM1 опосредует значительную молекулярную перестройку Ca2 +-каналов, рецепторов и эффекторов BSM при БА. Соответственно, предполагается, что повышающая регуляция опосредованных STIM1 сигналов Ca2 + в BSM-клетках вызывает как кратковременную сократимость, которая способствует гиперреактивности дыхательных путей через вызванные рецепторами колебания Ca 2 +, так и долгосрочную передачу сигналов, которая запускает ремоделирование дыхательных путей через изоформы фактора транскрипции (NFAT4)-зависимое транскрипционное и метаболическое перепрограммирование. STIM1-опосредованные изменения концентрации Ca2+ в клетках BSM имеют важное значение при ремоделировании гладкой мускулатуры дыхательных путей при БА за счет метаболического и транскрипционного перепрограммирования, а также секреции цитокинов, в том числе IL-6. Эти эффекты обусловлены Ca2+-зависимой активацией изоформы фактора транскрипции NFAT4, специфичной для ВSM. Данные исследований подтверждают тот факт, что STIM1 и SOCE являются основными триггерами проявлений астмы и предполагают будущее использование STIM1 в качестве молекулярной мишени в терапии астмы [33, 34].
Участие тучных клеток в патогенезе БА
Тучные клетки являются основными участниками аллергического ответа за счет секреции различных медиаторов с провоспалительным действием, тем самым привлекают другие иммунные клетки, вызывая сужение бронхов и ремоделирование дыхательных путей. В легких пациентов с аллергической астмой тучные клетки локализуются в гладкой мускулатуре, эпителии бронхов и альвеолярной паренхиме. Активация тучных клеток в результате IgE-опосредованного иммунного ответа способствует не только высвобождению протеаз, протеогликанов и нейропептидов, хранящихся в гранулах, но и секреции de novo синтезированных липидных медиаторов и цитокинов [35, 36]. Гистамин, выделяемый тучными клетками, увеличивает проницаемость эпителиального барьера дыхательных путей и индуцирует сокращение гладкой мускулатуры, кроме того, увеличивает синтез простагландинов, провоспалительных цитокинов и хемотаксических факторов, вызывающих накопление иммунных клеток. Противоположным действием обладают гранулы, содержащие протеогликаны, такие как хондроитинсульфат и гепарин, выделение которых происходит одновременно с гистамином и приводит к снижению воспалительных эффектов [37, 38, 39]. Кроме того, тучные клетки из арахидоновой кислоты синтезируют такие провосполительные медиаторы, как простагландины и лейкотриены. Образование этих биоактивных метаболитов приводит, с одной стороны, к повышению чувствительности гладкой мускулатуры дыхательных путей к Ca2+, тем самым усиливая бронхоконстрикцию, с другой – к образованию побочного продукта 15(S)-гидрокси-5,8,11-цис-13-транс-эйкозатетраеновой кислоты (15-HETE), что способствует дифференцировке бокаловидных клеток дыхательных путей и стимуляции выработки слизи путем увеличения экспрессии муцина 5AC (Muc5ac) [40-42].
Также тучные клетки способны высвобождать ряд цитокинов, таких как интерлейкины, хемокины и факторы роста. Интерлейкины являются семейством секреторных белков, играющих роль в межклеточной коммуникации, они связываются с поверхностными рецепторами и стимулируют различные функции. Например, при увеличении IL-1β и IL-13 тучных клеток происходит увеличенное выделение слизи из бронхиального эпителия, а повышение IL-17 приводит к стимуляции эпителиальных клеток и привлечению нейтрофилов посредством высвобождения IL-8. Соответственно, уровни как IL-1β, так и IL-17 положительно коррелируют с маркерами воспаления и обратно пропорционально – с функцией легких [43]. Основная функция хемокинов заключается в стимулировании набора клеток путем взаимодействия с соответствующими рецепторами клеточной поверхности. При развитии аллергического воспаления в результате хемотаксиса происходит чрезмерное привлечение гранулоцитов, таких как нейтрофилы, базофилы, эозинофилы, что подтверждается повышением их уровня в мокроте пациентов с БА [44, 45].
Тучные клетки продуцируют гепаринсвязывающий эпидермальный фактор роста (HB-EGF), факторы роста эндотелия сосудов (VEGF-A и VEGF-C). В свою очередь, HB-EGF способствует пролиферации фибробластов легких и повышает активность NF-κB, тем самым увеличивая экспрессию IL-8, который, в свою очередь, увеличивает пролиферацию и миграцию фибробластов, индуцируя ремоделирование дыхательных путей. В процессе неоваскуляризации участвуют VEGF-A, образованию кровеносных сосудов, в то время как VEGF-C участвует в лимфангиогенезе. Таким образом, повышенная васкуляризация сопровождается положительной корреляцией между плотностью микроциркуляторного русла в соединительной ткани слизистой оболочки и тяжестью астмы, возможно, за счет образования дополнительных путей проникновения иммунных клеток в ткани бронхов при БА [46, 47, 48].
Участие интерлейкина-33 (IL-33) в развитии аллергического воспаления
Не так давно были продемонстрированы результаты работ, показывающие взаимосвязи различных клеток и IL-33, что подтверждается рядом исследований на мышиных моделях аллергической астмы. Интерес представляют работы, в которых описаны различные механизмы участия интерлейкина-33 (IL-33) в развитии аллергического воспаления. IL-33 является членом семейства IL-1 (IL-F11) и обладает двойной функцией: с одной стороны, он действует как обычный внеклеточный цитокин, а с другой – как внутриклеточный ядерный фактор, регулирующий транскрипцию гена. IL-33 широко экспрессируется в различных структурных клетках, таких как эпителиальные, эндотелиальные и клетки гладкой мускулатуры [49, 50].
IL-33 проявляет свои биологические эффекты при связывании со своим рецептором ST2 (стимулирующий фактор роста 2, также называемый ST2L, член семейства IL-1R и IL-1RAcP) на плазматической мембране клеток. IL-33, высвобождаясь во внеклеточное пространство при повреждении клеток или тканей, действует как сигнал эндогенной опасности, отправляя различные сигналы на соседние клетки и ткани [49].
Так, в работе C. Cayrol и соавторов были описаны механизмы воздействия IL-33 на различные клетки. Для нас интерес представляет взаимосвязь данного цитокина с клетками, активно участвующими в воспалительном процессе при БА. IL-33 является мощным индуктором провоспалительных медиаторов тучных клеток, стимулирует продуцирование ими провоспалительных цитокинов и хемокинов (IL-6, IL-1β, TNFα, IL-8, IL-13, CCL1 и CXCL8). Базофилы человека экспрессируют высокие уровни рецептора ST2 и реагируют на IL-33 с увеличением продуцирования IL-1, IL-4, IL-5, IL-6, IL-8, IL-13 и гранулоцитарно- макрофагального колониестимулирующего фактора (GM-CSF). IL-33 индуцирует дегрануляцию эозинофилов и продуцирование IL-8 и супероксидного аниона, а также усиливает адгезию эозинофилов. Все эти механизмы приводят к усилению воспалительного процесса, что лежит в основе ремоделирования тканей при БА [49, 50].
Заключение. Анализ литературных данных позволяет проследить различные закономерности патогенетических и гистологических изменений, которые лежат в основе БА. Продолжение исследований в данном научном направлении является необходимым для разработки новых методик диагностики и лечения данного заболевания. А понимание механизмов ремоделирования дыхательных путей имеет решающее значение для подбора индивидуализированной медикаментозной терапии и достижения контроля над БА.