Цитокиновый шторм

Заболевание, вызвавшее эту реакцию, стремительно прогрессирует и часто приводит к летальному исходу. Некоторые данные показывают, что во время эпидемии коронавирусной болезни 2019 (COVID-19) тяжелое ухудшение состояния у некоторых пациентов было тесно связано с нерегулируемым и чрезмерным высвобождением цитокинов. 

Каковы механизмы данного состояния и подходы к его лечению? Рассмотрим их в данной статье. 

Что такое цитокины

Термин “цитокин” греческого происхождения: “цито” — клетка и “кинос” — движение. Это низкомолекулярные белковые молекулы, используемые в качестве химических сигналов, важных для регуляции функции иммунных клеток.

Они могут продуцироваться разными типами клеток, особенно клетками самой иммунной системы ( моноцитами и Т- лимфоцитами ), но не только (в том числе, фибробластами и эндотелиальными клетками).

Будучи клеточными сигнальными молекулами, они обеспечивают связь между клетками, гарантируя огромное разнообразие функций, играя, среди прочего, ведущую роль как во врожденном, так и в приобретенном иммунном ответе, настолько, что некоторые авторы дают им определение «иммуномодулирующие средства».

При столкновении организма с угрозой, исходящей от патогенных микроорганизмов, цитокины отвечают за передачу сигнала конкретным клеткам иммунной системы, где необходимо сосредоточить свои усилия (месту заражения); они также оснащены механизмами, способными стимулировать своего рода автоувеличение производства для усиления воспалительной реакции.

Когда клетка иммунной системы идентифицирует и распознает чужеродный микроб, например вирус или бактерию, она начинает вырабатывать цитокины как своего рода напоминание для других участников иммунной системы. Если в норме этот эффект правильно уравновешивается другими сигналами, то в ряде случаев ситуация выходит из-под контроля иммунной системы, которая сталкивается с так называемым цитокиновым штормом.

Цитокины представляют собой неоднородную группу регуляторных белков. Они передают сигналы между клетками и контролируют их пролиферацию и дифференцировку. Различают пять групп:

1. Интерфероны. Их функция - регуляция врожденного иммунитета, активация противовирусной защиты, антипролиферативный эффект.

2. Интерлейкины. Отвечают за рост и дифференцировку лейкоцитов.

3. Колониестимулирующие факторы. Их задача — стимуляция пролиферации и дифференцировки гемопоэтических клеток-предшественников.

4. Фактор некроза опухоли. Активация цитотоксических Т-лимфоцитов, провоспалительных. 

5. Хемокины, функция которых — хемотаксис (привлечение клеток иммунной системы, например лейкоцитов) к месту воспалительной реакции.

Цитокины обычно производятся каскадами и действуют как часть сложной скоординированной сети. Они также играют важную роль в иммунной системе, регулируя интенсивность и продолжительность иммунного ответа. Различают про- и противовоспалительные цитокины. Важными провоспалительными цитокинами, ответственными за ранние ответы, являются IL-1, IL-1, IL-6 и TNF-. В зависимости от ситуации некоторые цитокины могут оказывать как провоспалительное, так и противовоспалительное действие.

Свойства цитокинов

Данные молекулы обладают некоторыми специфическими свойствами:

• Избыточность: несколько цитокинов могут действовать на одну и ту же клетку, усиливая свой эффект.

• Каскадность.

• Плейотропия: один и тот же цитокин может действовать на несколько типов клеток, вызывая разные эффекты.

• Синергия: совокупный эффект двух разных цитокинов превышает сумму отдельных эффектов.

• Антагонизм: действие одного цитокина может противодействовать действию другого.

Классификация

К настоящему времени в организме человека описано и клонировано 36 цитокинов, однако, поскольку под этим названием группируется множество различных белков, с годами следовали друг за другом разные классификации и единой и общепринятой системы классификации пока не существует.

Например, наиболее распространенные подходы включают в себя:

Классификация по секреторным клеткам: лимфокины, монокины.

Классификация по виду деятельности: 

• Провоспалительные цитокины: к ним относятся интерлейкины (IL1, IL6, IL8), TNF (фактор некроза опухоли); они играют решающую роль в регуляции воспаления, лихорадки, а также сна, кроветворения.

• Иммунорегуляторные цитокины: к ним относятся интерлейкины (IL2, IL3, IL4, IL5, IL7, IL10, IL12) и управляют образованием клеток иммунной системы и их дифференцировкой в ​​естественные клетки-киллеры и B-лимфоциты (клетки, продуцирующие антитела).

• Эффекторные цитокины: включают интерфероны, хемокины, стимулирующие факторы (CSF), которые управляют защитой от инфекционных агентов и опухолей.

Поскольку один и тот же цитокин может продуцироваться разными типами клеток и выполнять разные функции, классифицировать их крайне сложно.

Механизм действия цитокинов

Цитокины — это химические мессенджеры, которые осуществляют свое действие благодаря связыванию с мембранными рецепторами, к которым они имеют большое сродство и специфичность, подобно пульту дистанционного управления, который активирует устройство, но не обязательно другие электронные инструменты.

В этом смысле цитокины часто сравнивают с гормонами, поскольку они способны действовать:

• во врожденном иммунном ответе посредством активации макрофагов и естественных клеток-киллеров, чтобы вызвать воспалительные и хемотаксические процессы;

• в приобретенном иммунном ответе, как гуморальном, так и клеточном, воздействуя на Т- и В-лимфоциты и обеспечивая связь между различными типами клеток.

Однако существуют принципиальные отличия цитокинов от гормонов, а именно:

• Гормоны действуют на один орган, тогда как цитокины действуют на большие популяции клеток.

• Одна клетка может вырабатывать разные цитокины, в отличие от гормонов, которые производятся только узкоспециализированными клетками.

• Гормоны циркулируют в наномолярных количествах, тогда как цитокины циркулируют в пикомолярных количествах (т.е. в тысячу раз меньших).

Действие цитокинов выражается следующим образом:

• Аутокринная активность: воздействие оказывается на ту же клетку, которая их продуцирует.

• Паракринная активность: воздействие осуществляется на близлежащие клетки.

• Эндокринная активность: стимуляция происходит на клетках и тканях, удаленных от места выработки. Это происходит именно из-за провоспалительных цитокинов, таких как TNF и IL-1, которые транспортируются кровью к клеткам-мишеням.

Когда цитокин связывает свой рецептор, в клетке инициируется ряд метаболических каскадных событий, которые стимулируют или ингибируют определенные клеточные функции, поэтому рецепторы являются инструментами, с помощью которых цитокины могут выполнять свои функции, действуя как канал для связи с клеткой.

Как возникает цитокиновый шторм

При проникновении возбудителя в организм иммунная защита активируется подгруппой провоспалительных цитокинов. Иммунные клетки прикрепляются к месту инфекции, и ткань снабжается большим количеством крови. Как только опасность минует, система снова отключается за счет высвобождения противовоспалительных веществ-мессенджеров, например IL-10 и трансформирующего фактора роста (TGF-). Однако этого может не произойти, как это наблюдалось в тяжелых случаях COVID-19. 

Чрезмерно стимулируя иммунную систему, локально высвобождаемые вещества-мессенджеры привлекают массы иммунных клеток, которые, в свою очередь, высвобождают новые вещества-мессенджеры и, таким образом, привлекают еще больше иммунных клеток. Возникает феномен синдрома высвобождения цитокинов, который также называют цитокиновым штормом.

Термин «цитокиновый шторм» появился в 1990-х годах в связи с гиперцитокинемией у пациентов после трансплантации органов (реакция «трансплантат против хозяина», РТПХ). Позже цитокиновые штормы были также связаны с вирусными инфекциями (например, гриппом или атипичной пневмонией), аутоиммунными заболеваниями (например, системным ювенильным идиопатическим артритом/ЮИА), синдромом активации макрофагов (MAS), ревматическими и гематологическими заболеваниями (гемофагоцитарный лимфогистиоцитоз/HLH). 

CAR-Т-клеточная терапия также может вызывать цитокиновые бури. В зависимости от увеличения отдельных цитокинов они могут быть весьма разными. Именно поэтому мы говорим о цитокиновом шторме, ассоциированном с COVID-19 (COVID-ассоциированный цитокиновый шторм, COVID-CSS) в связи с COVID-19. Однако в настоящее время не существует научного консенсусного определения этого понятия.

Помимо коронавируса, который может привести к ОРДС (респираторному дистресс-синдрому), могут спровоцировать цитокиновый шторм следующие состояния:

• РТПХ (болезнь «Трансплантат против хозяина»).

• Сепсис.

• Геморрагическая лихорадка Эбола.

• Птичий грипп.

• Оспа.

• Синдром системной воспалительной реакции.

Некоторые гипотезы, связанные с испанским гриппом 1918 года, полагают, что именно цитокиновый шторм стал причиной многочисленных смертей среди молодых людей. Эта теория могла бы объяснить причины очевидного недостатка высокоэффективной иммунной системы (пожилое население выявило статистически меньшую склонность к фатальным исходам).

Цитокиновый шторм и COVID-19: патогенез

Долгое время считалось, что цитокины играют важную роль в иммунопатологии во время вирусной инфекции. Быстрый и хорошо скоординированный врожденный иммунный ответ является первой линией защиты от вирусной инфекции. Однако нерегулируемые и чрезмерные иммунные ответы могут вызывать иммунное повреждение организма человека.

Соответствующие доказательства, полученные от тяжелобольных пациентов с коронавирусом, свидетельствуют о том, что провоспалительные реакции играют роль в патогенезе HCoV. Эксперименты на клетках in vitro показывают, что замедленное высвобождение цитокинов и хемокинов происходит в респираторных эпителиальных клетках, дендритных клетках (ДК) и макрофагах на ранней стадии инфекции SARS-CoV. Позже клетки секретируют низкие уровни противовирусных факторов интерферонов (IFN) и высокие уровни провоспалительных цитокинов (интерлейкин (IL)-1β, IL-6 и фактор некроза опухоли (TNF)) и хемокинов (лиганд хемокина мотива C-C (CCL)-2, CCL-3 и CCL-5).

Подобно SARS, MERS-CoV инфицирует эпителиальные клетки дыхательных путей человека, клетки THP-1 (линия моноцитарных клеток), макрофаги и ДК, полученные из моноцитов периферической крови человека, и индуцирует отсроченные, но повышенные уровни провоспалительных цитокинов и хемокинов. После заражения MERS-CoV плазмоцитоидные дендритные клетки, но не мононуклеарные макрофаги и ДК, индуцируются для выработки большого количества IFN. Уровни сывороточных цитокинов и хемокинов значительно выше у пациентов с тяжелым MERS, чем у пациентов с MERS легкой и средней степени тяжести.

Повышенные уровни сывороточных цитокинов и хемокинов у пациентов с MERS связаны с большим количеством нейтрофилов и моноцитов в легочных тканях пациентов и периферической крови, что позволяет предположить, что эти клетки могут играть роль в патологии легких.

Аналогичные явления наблюдались у пациентов с инфекцией SARS-CoV. Продукция IFN-I или IFN-α/β является ключевым естественным ответом иммунной защиты против вирусных инфекций, а IFN-I является ключевой молекулой, которая играет противовирусную роль на ранних стадиях вирусной инфекции. Задержка высвобождения IFN на ранних стадиях инфекции SARS-CoV и MERS-CoV препятствует противовирусной защите.

После этого быстро возросшие цитокины и хемокины привлекают множество воспалительных клеток, таких как нейтрофилы и моноциты, что приводит к чрезмерной инфильтрации воспалительных клеток в легочную ткань и, таким образом, к повреждению легких. Из этих данных следует, что нерегулируемые и/или преувеличенные реакции цитокинов и хемокинов со стороны клеток, инфицированных SARS-CoV или MERS-CoV, могут играть важную роль в патогенезе SARS или MERS. 

Животные модели могут хорошо прояснить роль цитокинов и хемокинов в опосредовании легочной иммунопатологии после заражения HCoV. Несмотря на схожие титры вируса в дыхательных путях, инфицированные SARS-CoV старые приматы с большей вероятностью развивают иммунную дисрегуляцию, чем инфицированные молодые приматы, что приводит к более тяжелым проявлениям заболевания. Похоже, что чрезмерная воспалительная реакция, а не титр вируса, более важна для смерти старых приматов.

Аналогичным образом, тяжесть заболевания у старых мышей связана с ранней и непропорционально сильной активацией воспалительных генных сигналов, связанных с ОРДС. Быстрая репликация SARS-CoV у мышей BALB/c вызывает замедленное высвобождение IFN-α/β, что сопровождается притоком множества патогенных воспалительных мононуклеарных макрофагов.Накопленные мононуклеарные макрофаги получают активирующие сигналы через рецепторы IFN-α/β на своей поверхности и вырабатывают больше хемоаттрактантов моноцитов (такие как CCL2, CCL7 и CCL12), что приводит к дальнейшему накоплению мононуклеарных макрофагов. Эти мононуклеарные макрофаги продуцируют повышенные уровни провоспалительных цитокинов (TNF, IL-6, IL1-β и индуцируемой синтазы оксида азота), тем самым увеличивая тяжесть заболевания. Истощение воспалительных моноцитов-макрофагов или нейтрализация воспалительного цитокина TNF защитили мышей от фатальной инфекции SARS-CoV. Кроме того, IFN-α/β или провоспалительные цитокины, полученные из мононуклеарных макрофагов, вызывают апоптоз Т-клеток, что еще больше затрудняет клиренс вируса.

Другим следствием быстрой репликации вируса и энергичного ответа провоспалительных цитокинов/хемокинов является индукция апоптоза в эпителиальных и эндотелиальных клетках легких. IFN-αβ и IFN-γ вызывают инфильтрацию воспалительных клеток через механизмы, включающие лиганд Fas–Fas (FasL) или рецептор смерти TRAIL 5 (DR5), и вызывают апоптоз эпителиальных клеток дыхательных путей и альвеол. Апоптоз эндотелиальных клеток и эпителиальных клеток повреждает микрососуды легких и альвеолярные эпителиальные клеточные барьеры и вызывают сосудистую утечку и альвеолярный отек, что в конечном итоге приводит к гипоксии в организме. Таким образом, воспалительные медиаторы играют ключевую роль в патогенезе ОРДС. ОРДС является основной причиной смерти у пациентов, инфицированных SARS-CoV или MERS-CoV.

В настоящее время известно, что несколько провоспалительных цитокинов (ИЛ-6, ИЛ-8, ИЛ-1β, колониестимулирующий фактор гранулоцитов-макрофагов и активные формы кислорода) и хемокины (такие как CCL2, CCL-5, IFNγ-индуцированный белок 10 (IP-10) и CCL3) способствуют возникновению ОРДС. Эти результаты подтверждают такую ​​точку зрения, что после заражения SARS-CoV высокие титры вируса и нарушение регуляции ответа цитокинов/хемокинов вызывают воспалительный цитокиновый шторм. Он сопровождается иммунопатологическими изменениями в легких. 

Высокие уровни экспрессии IL-1B, IFN-γ, IP-10 и моноцитарного хемоаттрактантного белка 1 (MCP-1) были обнаружены у пациентов с COVID-19. Эти воспалительные цитокины могут активировать ответ клеток Т-хелперов типа 1 (Th1). Активация Th1 является ключевым событием в активации специфического иммунитета. Однако, в отличие от пациентов с SARS, у пациентов с COVID-19 также повышены уровни цитокинов, секретируемых клетками Th2 (таких как IL-4 и IL-10), которые подавляют воспалительный ответ. Уровни IL-2R и IL-6 в сыворотке у пациентов с COVID-19 положительно коррелируют с тяжестью заболевания (т. е. пациенты в критическом состоянии > тяжелобольные пациенты > обычные пациенты). 

Исследования также показали, что по сравнению с пациентами с COVID-19 из общих палат у пациентов в отделении интенсивной терапии наблюдаются повышенные уровни гранулоцитарного колониестимулирующего фактора, IP-10, MCP-1, макрофагального воспалительного белка-1A и TNF-α в сыворотке. 

Что происходит на иммунологическоме уровне?

Инфекция SARS-CoV-2 активирует врожденный и адаптивный иммунный ответ. Цитокиновый шторм основан на воздействии комбинации многочисленных иммуноактивных молекул, включая интерфероны, интерлейкины (например, IL-6, IL-1, IL-2, IL-8, IL-17), хемокины (CCL2, CCL -5, IP-10 и CCL3), колониестимулирующие факторы (CSF) и фактор некроза опухоли (TNF-) представляют собой основные компоненты.

Значительное увеличение количества нейтрофилов, лейкоцитов и нейтрофильно-лимфоцитарного соотношения как показателя системного воспаления наблюдалось в тяжелых случаях COVID-19 по сравнению с легкими случаями. Отмечается также дисбаланс в Т-клетках. У пациентов с тяжелой формой COVID-19 уровни регуляторных Т-клеток значительно ниже, чем у пациентов с легкой формой заболевания. 

Регуляторные Т-клетки ответственны за поддержание иммунного гомеостаза, включая подавление активации, пролиферации и провоспалительной функции большинства лимфоцитов, включая CD 4 + Т-клетки, CD 8 + Т-клетки, NK-клетки и В-клетки. Кроме того, при тяжелом течении COVID-19 процент наивных Т-хелперов увеличивается, а процент Т-клеток памяти снижается. Баланс между наивными Т-клетками и Т-клетками памяти имеет основополагающее значение для обеспечения эффективного иммунного ответа. Кроме того, при COVID-19 наблюдалось снижение количества B-клеток и NK-клеток.

Осложнения цитокинового шторма

Исследователи предполагают, что цитокиновый шторм положительно коррелирует с тяжестью заболевания. Отчет о тяжелой пневмонии, вызванной новым типом коронавируса, показал, что 37 пациентам (71,2%) потребовалась искусственная вентиляция легких, а 35 пациентов (67,3%) страдали ОРДС. Более того, смертность пожилых пациентов с ОРДС была значительно повышена.

Основным патологическим изменением при ОРДС является повреждение легочной и интерстициальной ткани, вызванное неспецифической воспалительной клеточной инфильтрацией.

Местное избыточное высвобождение цитокинов является решающим фактором, который вызывает это патологическое изменение и клиническое проявление.

При COVID-19 воспалительный цитокиновый шторм тесно связан с развитием и прогрессированием ОРДС. Уровни цитокинов в сыворотке значительно повышены у пациентов с ОРДС, и степень повышения положительно коррелирует с уровнем смертности. Цитокиновый шторм также является ключевым фактором в определении клинического течения внелегочной полиорганной недостаточности. Это частично объясняет признаки внелегочной органной недостаточности (такие как повышенные уровни печеночных ферментов и креатинина), наблюдаемые у некоторых пациентов с COVID-19 без дыхательной недостаточности, что позволяет предположить, что воспалительный цитокиновый шторм является причиной повреждения внелегочных тканей и органов. 

Подводя итог, можно сказать, что инфекция нового типа коронавируса вызывает у пациентов воспалительный цитокиновый шторм. Цитокиновый шторм приводит к ОРДС или внелегочной полиорганной недостаточности и является важным фактором, вызывающим обострение COVID-19 или даже смерть.

Краткие выводы

• Цитокиновый шторм — это сложный механизм, связанный с избыточной активацией цитокинов иммунной системой.

• Патогенез включает потерю регуляторного контроля над выработкой провоспалительных цитокинов на местном и системном уровне.

• Цитокины — низкомолекулярные белки, играют важную роль во врожденном и приобретенном иммунитете.

• Провоспалительные цитокины IL-1, TNF, IL-6 вызывают воспаление и лихорадку.

• Иммунорегуляторные цитокины управляют дифференцировкой и образованием клеток иммунной системы.

• Эффекторные цитокины стимулируют защиту от инфекций и опухолей.

• Чрезмерное высвобождение цитокинов может вызвать цитокиновый шторм при вирусных инфекциях, аутоиммунных заболеваниях и других состояниях.

• Воспалительный цитокиновый шторм связан с ОРДС и полиорганными нарушениями при COVID-19, приводя к обострению заболевания и смерти.

Список использованной литературы

1. Huang C, Wang Y, Li X, Ren L, Zhao J, Hu Y, et al. Clinical Features of Patients Infected With 2019 Novel Coronavirus in Wuhan, China. Lancet (2020).

2. Mehta P, McAuley DF, Brown M, Sanchez E, Tattersall RS, Manson JJ. Covid-19: Consider Cytokine Storm Syndromes and Immunosuppression. Lancet (2020).

3. Liu Y, Yang Y, Zhang C, Huang F, Wang F, Yuan J, et al. Clinical and Biochemical Indexes From 2019-nCoV Infected Patients Linked to Viral Loads and Lung Injury. Sci China Life Sci (2020).

4. Chen N, Zhou M, Dong X, Qu J, Gong F, Han Y, et al. Epidemiological and Clinical Characteristics of 99 Cases of 2019 Novel Coronavirus Pneumonia in Wuhan, China: A Descriptive Study. Lancet (2020).

5. Liu F, Long X, Zhang B, Zhang W, Chen X, Zhang Z. Highly ACE2 Expression in Pancreas may Cause Pancreas Damage After SARS-CoV-2 Infection. Clin Gastroenterol Hepatol (2020).

6. Liu PP, Blet A, Smyth D, Li H. The Science Underlying COVID-19: Implications for the Cardiovascular System. Circulation (2020).

7. Xu Z, Shi L, Wang Y, Zhang J, Huang L, Zhang C, et al. Pathological Findings of COVID-19 Associated With Acute Respiratory Distress Syndrome. Lancet Respir Med (2020).

8. Ackermann M, Verleden SE, Kuehnel M, Haverich A, Welte T, Laenger F, et al. Pulmonary Vascular Endothelialitis, Thrombosis, and Angiogenesis in Covid-19. N Engl J Med (2020).