Gränser / neutrofiler och makrofager: de viktigaste partnerna i Fagocytcellsystem / immunologi

introduktion

När smittämnen passerar det perifera försvaret och invaderar sterila kroppsområden står de inför medfödda antimikrobiella mekanismer. Det patologiska resultatet av närvaron av en mikrobe inom en värd är beroende av patogenens virulens och värdens försvarskompetens (Finlay och Falkow, 1989; Casadevall och Pirofski, 2001)., Vid funktion som patogen lever det infektiösa medlet från sin patogenicitet, men när värd antimikrobiella skyddsmekanismer dominerar finns det ett effektivt skyddande ingrepp hos flera immun-och icke-immunceller. Denna intervention är avgörande centrerad på de antimikrobiella aktiviteterna hos fagocytceller, främst makrofager och neutrofiler., Även epitelceller, fibroblaster och andra celler kan fagocytera, i denna text termen fagocyter används för celler vars huvudsakliga funktion är fagocytos och som har klassiskt kallas professionella eller dedikerade fagocyter, nämligen neutrofiler, inflammatoriska monocyter, makrofager och omogna dendritiska celler (DCs).

fagocytos är den process genom vilken eukaryota celler uppslukar stora partiklar (>0,5 µm) inklusive prokaryota och eukaryota celler., När den fungerar som en mikrobdödningsmekanism utlöser fagocytos rika antimikrobiella processer som använder ett stort antal mekanismer som involverar oxidanter som reaktiva syre/kvävearter (ROS, RNS), granulproteiner och järnhållningsmolekyler (granskad i Flannagan et al., 2009). Även om fagocyter arbetar med fagocytiska och icke-fagocytiska mekanismer (Silva, 2010a,b), är fagocytos den aktivitet som ger sin typiska karaktär.,

Metchnikoff, fagocyter och fagocytos

medan lägre eukaryoter använder fagocytos främst för förvärv av näringsämnen, fagocytos i metazoaner utförs främst av specialiserade professionella fagocyter, makrofager och neutrofiler, för ett brett spektrum av uppgifter som inkluderar, men är inte begränsade till, upptag och förstörelse av invaderande patogener(Dale et al., 2008; Cassatella et al., 2009; Silva, 2010a,b).,

även om upptaget av partiklar av celler har rapporterats tidigare, Metchnikoff, stimulerad av Carl Claus, introducerade termen ”fagocyt”, och teorin om fagocytos och fagocytiska celler är ett grundläggande bidrag från Metchnikoff. Hans seminala observationer bakom fagocytosteorin diskuteras i stor utsträckning i två publikationer översatta till engelska (Metchnikoff, 1893, 1905) och i biografiska texter (se till exempel Tauber, 2003; Kaufmann, 2008). Metchnikoff förstod att fagocytos representerar en central försvarsmekanism hos värden mot mikrobiella invaderare., Huvudrötterna i teorin om fagocytiska celler härstammar från de första observationerna i sjöstjärna larv och senare i ryggradsdjur. I 1984, som arbetar med naturlig jästinfektion i Daphnia, rapporterade han om fagocyternas antimikrobiella aktivitet. År 1887 beskrev han de två typerna av professionella fagocyter i ryggradsdjur, makrofager och neutrofiler, de senare kallade ursprungligen ”mikrofager” (Metchnikoff, 1893)., En annan viktig metchnikoffs bidrag till fagocytos var förståelsen att lampreys larver (ammocoetes) var den lägsta biologiska enheten där makrofager och neutrofiler samexisterade (Metchnikoff, 1905).

den morfologiska antinomymakrofagen / mikrofagen har sitt ursprung av Metchnikoff, baserat på skillnaderna i morfologisk storlek av de två fagocyterna (Metchnikoff, 1893), har inte en motsvarande parallell med avseende på deras funktion., Faktum är att när man överväger rollerna för de två fagocyterna mot mikrobiell infektion, kallar Metchnikoff neutrofiler ”huvudkombatanter” och under hans publikationer och föreläsningar betonade han att både makrofager och neutrofiler var viktiga aktörer: ”fagocytos uppvisas inte bara av makrofagerna utan också i hög grad av mikrofagerna som sticker ut som defensiva celler par excellens mot mikroorganismer” (Metchnikoff, 1905).,

neutrofiler: arketyper av Fagocytceller

trots den betydelse Metchnikoff tillskrivs neutrofiler som fagocyt arketyp, var utvecklingen efter Metchnikoff att överväga makrofager de väsentliga fagocyterna som minimerade neutrofilernas betydelse. Denna makrofag-centrerad vy återspeglades i uteslutningen av neutrofila granulocyter i den ursprungliga tilldelningen, 1967, av etiketten ”professionella fagocyter” till makrofager (Rabinovitch, 1967) och i skapandet av system av fagocytiska celler som utesluter neutrofila (Aschoff, 1924; Volterra, 1927; van Furth et al.,, 1972). Denna cell ansågs vid den tiden vara en terminalt differentierad fagocyt med mycket begränsad funktionell kapacitet. Utvecklingen av kunskap om fagocyter ledde emellertid gradvis till ett nytt koncept av neutrofiler som arketypiska fagocytiska och modulatoriska immunceller, med ett ursprung som är gemensamt för makrofagerna (Cassatella, 1995, 1999; Rabinovitch, 1995; Akashi et al., 2000; Cassatella et al., 2009; Borregaard, 2010; Silva, 2010b; Costantini och Cassatella, 2011; Mantovani et al., 2011)., Detta nya perspektiv på neutrofilen lyfte fram nya oväntade möjligheter för denna väsentliga del av immunsystemet, som fortfarande är under ytterligare studie nuförtiden.

även om det varierar mellan däggdjur är neutrofilernas antimikrobiella kapacitet högre än makrofagernas (Levy, 2004; Segal, 2005). Neutrofiler är utrustade med ett stort sortiment av mikrobicidala mekanismer och använder flera antimikrobiella molekyler som lagras i enorma mängder i granuler (Borregaard och Cowland, 1997; Segal, 2005)., Produktionen av ROS är mest framträdande i neutrofiler jämfört med makrofager (Nathan och Shiloh, 2000). Flera antimikrobiella proteiner som är en viktig del av neutrofila arsenal saknas eller är otillräcklig i vävnaden makrofager (Levay och Viljoen, 1995; Lehrer och Ganz, 2002; Selsted och Ouellette, 2005). Detta är fallet med defensiner och katelicidiner, de största familjerna av antimikrobiella peptider av neutrofiler hos däggdjur (Ganz, 2003) och av laktoferrin (Levay och Viljoen, 1995)., Det bakteriedödande / permeabilitetsökande proteinet (BPI) är också specifikt för neutrofiler (Weiss och Olsson, 1987). Myeloperoxidas (MPO), vilket är ett viktigt enzym som är involverat i oxidativa antimikrobiella mekanismer för neutrofiler, är närvarande i cirkulerande däggdjursmonocyter men förloras när dessa mognar i makrofager (Klebanoff, 2005), vilket korrelerar med förfall i antimikrobiell aktivitet (Locksley et al., 1987).

Fagocytcellsystem

biologiska cellulära system är grupper av celler som delar gemensamma funktioner, mestadels funktion och ursprung (Aschoff, 1924; van Furth et al., 1972)., Efter pionjärstudierna av Metchnikoff har flera system av fagocytiska celler skapats och konstigt nog var alla dessa begränsade till mononukleära celler och uteslutna neutrofiler. Ett argument som användes i förslaget till dessa mononukleära system var att Metchnikoff ansåg makrofager som de viktigaste fagocytiska cellerna, en tolkning som, som diskuterats ovan, inte är motiverad., Aschoff (1924) skapade det ”retikuloendoteliala systemet” (RES), bildat av mononukleära celler med förmodad fagocytisk kapacitet men neutrofiler lämnades utanför för att inte betraktas som stora fagocyter (Aschoff, 1924). Efter progressiv kritik mot de tidigare systemen skapades ”mononukleära fagocytsystemet” (MPS) 1969 baserat på ett förslag från van Furth och medarbetare vid en konferens tillägnad mononukleära fagocyter. Detta förslag offentliggjordes formellt (van Furth et al.,, 1972) och beskrev MPS som ett system av dedikerade fagocytiska celler med liknande morfologi, funktion, ursprung och kinetik, gruppering av monocyter/makrofager och deras prekursorer men återigen exklusive neutrofiler. Denna uteslutning baserades på argumentet att ”även om polymorfonukleära fagocyter också är mononukleära, hör de till en annan celllinje på grund av deras olika ursprung och divergerande kinetiskt och funktionellt beteende” (van Furth et al., 1972)., När parlamentsledamöterna föreslogs var kunskapen om myelogenes begränsad och det gemensamma ursprunget för neutrofiler och makrofager var inte känt, neutrofilerna anses tillhöra en cellinje skild från MPS-medlemmarnas och vara en terminalt differentierad fagocytisk effektor med begränsad kinetisk och funktionell kapacitet.

omfattande fagocytcellsystem måste omfatta neutrofiler och Silva föreslog nyligen en utvidgad systemgruppering dedikerade fagocytiska celler inklusive neutrofiler (Silva, 2010a)., Alla dedikerade fagocyter är av myeloid lineage (Figur 1) eftersom de har sitt ursprung i ”common myeloid progenitors” (CMPs) via ”granulocyte/macrophage lineage-restricted progenitors” (GMPs; Akashi et al., 2000; Iwasaki och Akashi, 2007). Således märktes det nya systemet myeloid fagocytsystem (MYPS; Silva, 2010a). Här utökas motiveringarna för ett sådant förslag och MYP: erna kännetecknas ytterligare med fokus på human-och musstudier.,

figur 1

medlemmarna i MYPS

leukocyterna hos MYPS delar ursprung, ivrig fagocytisk förmåga och kinetik. När det gäller deras morfologi är prekursorformerna för alla medlemmar i MYPS liknande förutom den mogna cirkulerande neutrofilen. Mogna neutrofiler är mononukleära som de andra medlemmarna i MYPS men den terminala mogna formen är morfologiskt differentierad och har en polylobed kärna., Detta har ansetts vara en strukturell Specialisering som underlättar den mekaniska deformationen, vilket gör att neutrofiler kan ”klämma” genom täta utrymmen när de flyttas till inflammatoriska / infektiösa foci.

listan över MYPS-medlemmar som föreslås nedan kan behöva ändras enligt den ständigt föränderliga kunskapen inom detta område. Detta är särskilt relevant för DCs eftersom de i stor utsträckning delar ursprunget och funktionen hos andra cellmedlemmar i MYPS. Av meddelande är alla utom neutrofiler antigenpresenterande celler., Men eftersom begreppet MYPS, som det står för närvarande, kräver en hög fagocytisk profil, bland DC-cellpopulationerna, inkluderades endast omogna myeloida DCs.

neutrofiler

alla granulocyter är fagocytiska, men neutrofiler (mus och humana nyckelmarkörer: CD66b, LY6-G) är de enda som uppvisar ivrig fagocytos. Som redan betonats har neutrofiler förvärvat en progressiv status för grundläggande fagocytiska immunceller (Cassatella, 1995, 1999; Rabinovitch, 1995; Cassatella et al., 2009; Borregaard, 2010; Silva, 2010b; Costantini och Cassatella, 2011; Mantovani et al.,, 2011) med fagocytisk förmåga överlägsen makrofagernas (se avsnitt neutrofiler: arketyper av fagocytceller). Omfattande recensioner om dessa leukocyter inkluderar senaste bidrag (Nathan, 2006; Nauseef, 2007; Dale et al., 2008; Borregaard, 2010).,

inflammatoriska monocyter

inflammatoriska monocyter utgör en heterogen grupp av makrofag stamceller och har delats in i två huvudsakliga delmängder: en kortlivad ”inflammatorisk delmängd” (nyckelmarkörer; mus: CD11b, F4 / 80, Ly6 C; människa: CD11b, LY6C) som hem till inflammerad vävnad, och en ”bosatt delmängd,” med en längre halveringstid, att hem till icke-inflammerade vävnader (Geissmann et al., 2003). Inflammatoriska monocyter är fagocytiska och använder denna kapacitet som en antimikrobiell mekanism (Grage-Griebenow et al., 2001; Sunderkotter m.fl., 2004; Serbina m.fl., 2008; Soehnlein et al.,, 2008c).

makrofager

makrofager (nyckelmarkörer; mus: CD11b (Mac-1), F4 / 80; human: CD33) har anmärkningsvärda fagocytiska förmågor som i stor utsträckning överträffar deras bidrag till direkta antimikrobiella värdmekanismer för försvar. Många senaste omfattande recensioner om dessa fagocyter finns tillgängliga (Hume, 2006; Mosser och Edwards, 2008; Serbina et al., 2008; Pluddemann et al., 2011).

omogna myeloida DCs

dendritiska celler (Steinman och Banchereau, 2007) inkluderades inte i parlamentsledamöterna, delvis baserade på tolkningen att de ”inte är mycket fagocytiska” (van Furth et al.,, 1972). De är en grupp av primärt antigenpresenterande och immunmodulerande celler vars särskiljningsförmåga har diskuterats (Hume, 2008; Geissmann et al., 2010a). Mogna DCs anses inte vara dedikerade fagocyter och har inte inkluderats i gruppen professionella fagocyter (Rabinovitch, 1995). Mogna DCs har en begränsad kapacitet för lysosomal nedbrytning av intagat material (Delamarre et al., 2005) och, i motsats till neutrofiler och makrofager, är inte inblandade i direkt patogen clearance (Savina och Amigorena, 2007)., Å andra sidan är omogna myeloida DCs fagocytiska (Inaba et al., 1993b; Steinman och Swanson, 1995) och har direkt effektors antimikrobiella aktiviteter (Banchereau och Steinman, 1998; Banchereau m.fl., 2000). Således ingår de som medlemmar i MYPS.

neutrofiler som väsentliga medlemmar i Fagocytcellsystem

flera argument motiverar att neutrofiler inkluderas i ett omfattande fagocytcellsystem enligt följande.

1., Neutrofiler är arketypiska fagocyter: som tidigare nämnts var uteslutningen av neutrofiler från MPS baserad på tolkningen att deras ursprung och kinetiskt och funktionellt beteende skiljer sig från monocyter/makrofager, tolkning som med kunskapsutvecklingen har visat sig vara felaktig.

2. Neutrofiler, monocyter / makrofager och omogna myeloida DCs har ett gemensamt ursprung: den ursprungliga uppfattningen att neutrofiler och makrofager härrör från en vanlig sen benmärgsprekursor (Metcalf, 1989; Inaba et al.,, 1993a) har bekräftats av resultat som visar att dessa fagocyter härrör från hematopoietiska stamceller (HSC) som skiljer sig genom gemensamma vägar som också leder till omogna myeloida DCs (Akashi et al., 2000; Iwasaki och Akashi, 2007; Figur 1).

3. Makrofager och neutrofiler delar viktiga funktioner: Viktiga funktioner som delas av makrofager och neutrofiler med avseende på deras gemensamma ursprung är: (i) ivrig fagocytisk kapacitet (Dale et al.,(II) närvaro av vanliga ytmarkörer som kemokinreceptorer (Silva, 2010a) och receptorer för Igs och komplement (Dale et al. Och kemokinsekretion (Silva, 2010a); (iii) gemensamt uttryck för mönsterigenkänningsreceptorer (PRR) (Janeway, 1989); (iv) kooperativt deltagande i orkestrering av adaptiva immunsvar (Silva, 2010b); (v) scavenger kapacitet ; (vi) likhet på kinetiskt beteende under inflammatoriska/infektiösa förhållanden (Silva, 2010a)., Också att överväga är rapporter om eventuell omvandling av neutrofiler till makrofager (Araki et al., 2004; Sasmono et al., 2007). Dessutom två funktionella kriterier som beaktades för att välja celler som ska grupperas i MPS, nämligen pinocytos och förmågan att fästa ordentligt på en glasyta (van Furth et al., 1972), är nu kända för att ställas ut av neutrofiler också (Hoffstein et al., 1981; Davis m.fl., 1986).

4., Makrofag / neutrofilt funktionellt partnerskap: samarbetet mellan medlemmarna i ett cellsystem ökar dess funktionella effektivitet (Seeley, 2002; Shou et al., 2007). Data som diskuteras ovan och på andra ställen (Silva, 2010a,b, 2011) indikerar att MYPS är en sammansättning av dedikerade fagocytiska celler som fungerar på ett interaktivt och kooperativt sätt.

samtidigt som flera funktioner delas är makrofager och neutrofiler specialiserade celler med funktionella och funktionsrelaterade morfologiska särdrag., Dessa funktioner kompletterar varandra och ger olika nivåer av antimikrobiell kapacitet och cytotoxicitet och vävnadsspecifik lokalisering och livslängd (Silva, 2010a). Dessa särdrag förklarar varför makrofager och neutrofiler inte kan ersätta varandra som centrala aktörer av antimikrobiell immunitet, vilket indikeras av patologin i samband med vissa mänskliga och murina fagocytbrister (Dale och Liles, 2002).,

kombinationen av delade och kompletterande egenskaper hos makrofager och neutrofiler främjar deras kooperativa deltagande som effektorer och modulatorer i immunitet mot infektion (Silva, 2010a,b). Detta samarbete illustreras tydligt av makrofagernas förmåga, i deras process att döda intracellulära bakterier, att ta upp proteiner och peptider (t.ex. Human neutrofilpeptid 1) som produceras och frigörs av neutrofiler. Dessutom kan makrofager också fånga apoptotiska neutrofiler och använda de antimikrobiella molekylerna som finns i deras granuler., Baserat på dessa resultat (Silva et al., 1989; Sharma et al., 2000; Tan et al., 2006; Sawant et al. 2009 föreslog Silva konceptet makrofag / neutrofilt partnerskap i host response against infection (Silva, 2010a), ett koncept som i stor utsträckning granskades i Silva (2011).

ramen för begreppet makrofag / neutrofilt partnerskap (Silva, 2010a,b, 2011), som är en central aspekt av MYPS-systemet, innehåller flera kooperativa makrofag/neutrofila aktiviteter., (i) vid initiering av infektiös inflammation, komplexa nätverk av cytokiner och kemokiner härstammar genom interaktion mellan monocyter/makrofager och neutrofiler vid infektiösa/inflammatoriska foci (Silva, 2010a; Soehnlein och Lindbom, 2010). (ii) förstärkning av makrofagernas begränsade antimikrobiella kapacitet genom förvärv av neutrofila potenta mikrobicidmolekyler utan transitering som extracellulära skador associerade molekylära mönstermolekyler (DAMPs), vilket minskar skadan på grund av överdriven inflammation (Silva et al., 1989; Silva, 2010a)., I situationer där makrofager hanterar olika intramakrofagmikrober på olika sätt mobiliseras antimikrobiella komponenter i neutrofilgranuler, förvärvade av makrofager genom upptag av neutrofiler eller neutrofilgranuler, till de olika typerna av mikrobeinnehållande vakuoler (Silva, 2011). På dessa platser kan de förvärvade molekylerna utöva sin antimikrobiella roll genom en direkt aktivitet mot intramakrofagpatogenerna (Sharma et al., 2000; Tan et al., 2006) eller genom interaktion med de endogena makrofag antimikrobiella mekanismerna (Lincoln et al., 1995; Marodi m.fl.,, 1998). iii) en icke-fagocytisk fasett av det interaktiva samarbetet makrofag/neutrofila granulocyter på effektornivå är den ömsesidiga aktiveringen av monocyter / makrofager och neutrofiler. Monocyter / makrofager kan aktiveras direkt av neutrofila produkter, inklusive utsläppta granulmolekyler, med förstärkning av deras fagocytiska och antimikrobiella kapacitet (Lima och Kierszenbaum, 1985; Ichinose et al., 1996; Zughaier m.fl., 2005; Soehnlein et al.,,2008a,b, C) och neutrofiler aktiveras av makrofag-utsöndrade cytokiner och kemokiner och förvärvar en inflammatorisk effektorfenotyp (granskad i Silva, 2010a). (iv) interaktion och samarbete resulterar i upplösning av den smittsamma inflammationen vid kontroll av den smittsamma processen, liksom (Silva, 2010a; Soehnlein och Lindbom, 2010). Ett liknande koncept föreslogs efter Silvas första papper (Soehnlein och Lindbom, 2010).

detta samarbetspartnerskap utgör en faktor för ökad effektivitet hos MYPS., Som redan noterat av Metchnikoff (1905) är närvaron av två professionella fagocyter exklusiva för immunsystemet hos ryggradsdjur. Samarbetet makrofag / neutrofila granulocyter inom MYPS kompetens, möjliggör en immun attack strategi mot mikrobiella infektioner baserade på två kompletterande fagocyter som säkert dra nytta av kraftfulla neutrofila mikrobicidala faktorer som överförs till den infekterade makrofag. Detta är ett säkert sätt för makrofager att använda kraftfulla men farliga mikrobicidala molekyler för att undvika problemen med att permanent bära dessa cytotoxiska faktorer., Denna strategi är ett mål för viktiga virulensmekanismer för framgångsrika patogener.

slutsats

baserat på principen att fagocytcellsystem måste inkludera alla dedikerade fagocytiska celler, föreslogs skapandet av MYPS (Silva, 2010a), vilket förändrade den oacceptabla rådande situationen där det enda fagocytcellsystemet som används (MPS) utesluter neutrofiler. Medlemmarna i detta system har gemensamt ursprung och delar ivrig fagocytisk förmåga. Förutom enskilda aktiviteter hos medlemmarna i ett cellulärt system ökar samarbetet mellan dem systemets funktionella effektivitet., Makrofag / neutrofilt partnerskap, viktigt i fagocytiska, immunmodulerande och inflammationsprolösande aktiviteter, är särskilt relevant vid driften av MYPS (Silva, 2010a). Således är neutrofiler och makrofager huvudarmarna i detta system.

Sammanfattningsvis är MYPS ett system av dedikerade fagocytiska celler som grupperar neutrofiler, inflammatoriska monocyter, makrofager och omogna myeloida DCs; dessa funktioner på ett interaktivt och kooperativt sätt i värdförsvaret mot mikrobiell infektion.,

intressekonflikt uttalande

författarna förklarar att forskningen genomfördes i avsaknad av kommersiella eller finansiella relationer som kan tolkas som en potentiell intressekonflikt.

bekräftelser

Anabela Costa och José Pestana gav viktig redaktionell hjälp.

referens

Aschoff, L. (1924). ”Retikuloendotelialt system”, i föreläsningar om patologi. NY: Paul B. Hoeber, Inc.

Cassatella, M. A. (1995). Produktionen av cytokiner genom polymorfonukleära neutrofiler. Immunol. Idag 16, 21-26.,