BỆNH NHIỄM TRÙNG

 

MIỄN DỊCH HỌC – CHƯƠNG MƯỜI BA
CYTOKIN VÀ ĐIỀU HÒA MIỄN DỊCH

Gene Mayer, PhD
Professor
Department of Pathology, Microbiology and Immunology
University of South Carolina School of Medicine

Biên dịch: Nguyễn Văn Đô, MD., PhD.,
Bộ môn Sinh lý bệnh-Miễn dịch,
Trường Đại học Y Hà Nội,
Hà Nội, Việt Nam
 

 

 Edited and illustrated by Dr Richard Hunt

MỤC TIÊU GIẢNG DẠY
Nêu bật các cytokin chính là các chất trung gian của: (i) miễn dịch tự nhiên, (ii) miễn dịch thu được và (iii) tạo máu.
Thảo luận về điều hòa đáp ứng miễn dịch.

 

TỪ KHÓA

Monokin
Lymphokin
Interleukin
Chemokin
Dư thừa
TNF-α
IL-1
IL-10
IL-12
Interferon
IFN-γ
IL-2
IL-4
IL-5
TGF-β
GM-CSF
M-CSF
G-CSF
Tregs
 

Hình 1A
Các thụ thể của các cytokin khác nhau có các tiểu đơn vị chung
 

Hình 1B
Gia đình thụ thể Interferon

TỔNG QUAN

Cytokin là một nhóm protein đa dạng không phải là kháng thể, chúng đóng vai trò là các chất trung gian giữa các tế bào. Trước hết chúng là sản phẩm của các tế bào miễn dịch, hoạt động như các chất trung gian và điều hòa các quá trình miễn dịch, nhưng đến hiện nay nhiều cytokin đã biết được sản xuất bởi các tế bào khác không phải là tế bào miễn dịch và cytokin cũng có tác dụng trên những tế bào không phải của hệ miễn dịch. Hiện nay cytokin đang được sử dụng trên lâm sàng như những chất sửa đổi đáp ứng sinh học để điều trị các rối loạn khác nhau. Các cytokin là một thuật ngữ chung được sử dụng để mô tả một nhóm lớn các protein, nhưng cũng có những thuật ngữ khác dùng để mô tả các loại cytokin đặc biệt, chúng bao gồm:

• Monokin là cytokin được sản xuất bởi các tế bào thực bào đơn nhân
• Lymphokin là cytokin được sản xuất bởi tế bào lympho được hoạt hóa, đặc biệt là các tế bào Th
• Interleukin là cytokin có vai trò trung gian giữa các bạch cầu
• Chemokin là một phân tử nhỏ chủ yếu chịu trách nhiệm cho việc di chuyển bạch câu

Cytokin có chức năng như là một phần của hệ thống lớn hơn liên quan đến nhau của protein và thác tín hiệu, đó là mạng lưới cytokin. Đây là những tương tác phức tạp trong đó các tế bào khác nhau có thể phản ứng khác nhau đối với cùng một cytokin tùy thuộc vào các tín hiệu được tiếp nhận bởi tế bào. Tín hiệu cytokin rất linh hoạt và có thể gây ra cả hai phản ứng bảo vệ và làm hư hại. Một cytokin thường ảnh hưởng đến sự tổng hợp các cytokin khác. Chúng có thể tạo ra các thác, hoặc tăng cường hay ức chế sản xuất cytokin khác. Ngoài ra, chúng thường có thể ảnh hưởng đến hoạt động của các cytokin khác. Các hiệu ứng có thể là: đối kháng, phụ thêm, hoặc hiệp đồng.

Các cytokin thường không được lưu trữ như protein đã tạo ra từ trước. Thay vì sự tổng hợp của cytokin được bắt đầu bằng phiên mã gen và mRNA của chúng tồn tại ngắn ngủi. Chúng được sản xuất khi cần thiết trong phản ứng miễn dịch. Các gen mã hóa cho cytokin có thể sản xuất các biến thể thông qua việc cắt nối để tạo ra các protein hơi khác nhau nhưng có hoạt tính sinh học.

Nhiều cytokin được sản xuất bởi nhiều loại tế bào và tham gia vào cả hai đáp ứng miễn dịch tự nhiên và thu được. Các cytokin riêng rẽ cũng tác động lên nhiều loại tế bào và trong nhiều trường hợp cytokin có cùng hoạt tính (ví dụ, chúng bị thừa). Sự dư thừa là do bản chất của các thụ thể của cytokin.
Thụ thể dành cho các cytokin được dị dimer và có thể được xếp thành các gia đình dựa trên đặc tính cấu trúc chung; một tiểu đơn vị là chung cho tất cả các thành viên của một gia đình nhất định. Một số ví dụ được hiển thị trong Hình 1.

• Các thụ thể cytokin loại 1 (gia đình IL-2R) là gia đình lớn nhất của các thụ thể cytokin. Gia đình này được chia thành ba lớp con dựa trên các thành phần chung: IL2Rγ, β chung, và gp130 (Hình 1A). Các thụ thể này thiếu hoạt tính tyrosine kinase có bản chất protein. Liên kết với phối tử (cytokin) dẫn đến dimer hóa thụ thể và bắt đầu phát tín hiệu nội bào.
• Các thụ thể cytokin loại 2 (gia đình IFNR) có các cystein nằm ở vùng ngoại bào của các tiểu đơn vị. Các vùng ngoại bào cũng có các vùng giống kháng thể nối tiếp nhau có đặc điểm của gia đình thụ thể cytokin này. Các tiểu đơn vị của thụ thể này cũng có hoạt tính tyrosine kinase nội bào (kí hiệu là * trong Hình 1B).

Tất cả các thụ thể chemokin đều có bảy phân đoạn xuyên màng liên kết với protein gắn GTP. Chúng được chọn lọc biểu lộ trên các quần thể tế bào lympho đặc biệt và được đặt tên dựa trên các gia đình của các chemokin mà chúng liên kết; CCR (thụ thể CC) liên kết với chemokin CC như là phối tử của nó, trong khi CXCR liên kết với chemokin CXC như là phối tử của nó (các chemokin có tên truyền thống sẽ được thảo luận dưới đây).

Khi một tiểu đơn vị chung cho tất cả các thành viên của gia đình trong cytokin có chức năng liên kết và dẫn truyền tín hiệu, một thụ thể đối với một cytokin thường có thể đáp ứng với cytokin khác trong cùng một gia đình. Vì vậy một người thiếu IL-2 chẳng hạn thì cũng không bị ảnh hưởng vì các cytokin khác (IL-15, IL-7, IL-9, vv) đảm đương chức năng của nó. Tương tự, một đột biến trong một tiểu đơn vị thụ thể cytokin ở ngoài vùng chung thường có ít ảnh hưởng. Mặt khác, một đột biến trong các tiểu đơn vị chung thường có ảnh hưởng sâu sắc. Ví dụ, một đột biến ở gen đối với các tiểu đơn vị gamma IL-2R là nguyên nhân gây ra suy giảm miễn dịch nặng liên kết với nhiễm sắc thể X ở người (XSCID) đặc trưng bởi sự khiếm khuyết hoàn toàn hoặc gần hoàn toàn của tế bào T và B.

Cytokine gắn vào thụ thể đặc hiệu trên các tế bào đích với ái tính cao và các tế bào đáp ứng với một cytokin hoặc là:

• Tế bào giống nhau tiết cytokin (autocrin)
• Một tế bào lân cận (paracrin)
• Một tế bào ở xa thông qua việc lưu thông (nội tiết). Đáp ứng tế bào với các cytokin nói chung là chậm (hàng giờ) bởi vì chúng cần tổng hợp ra mRNA và protein mới.
   

CÁC LOẠI CYTOKIN

Các cytokin có thể được xếp thành các loại khác nhau dựa vào chức năng của chúng hay nguồn gốc của chúng, nhưng điều quan trọng cần nhớ là chúng có thể được sản xuất bởi các tế bào khác nhau và hoạt động trên các tế bào khác nhau, bất kỳ nỗ lực nào để phân loại chúng cũng sẽ bị hạn chế.

Các chất trung gian của miễn dịch tự nhiên (đáp ứng miễn dịch tự nhiên)
Những cytokin đóng một vai trò quan trọng trong hệ thống miễn dịch tự nhiên bao gồm: TNF-α, IL-1, IL-10, IL-12, interferon loại I (IFN-α và IFN-β), IFN-γ, và chemokin.

TNF-α
Yếu tố hoại tử khối u alpha được sản xuất bởi các đại thực bào hoạt hóa đáp ứng với vi khuẩn, đặc biệt là lipopolysaccharide (LPS) của vi khuẩn Gram âm. Đây là một chất trung gian quan trọng của viêm cấp tính. Nó gián tiếp lôi kéo bạch cầu trung tính và đại thực bào đến các vị trí bị nhiễm trùng bằng cách kích thích các tế bào nội mô để sản xuất các phân tử kết dính và sản xuất các chemokin, là các cytokin hóa hướng động bạch cầu. TNF-α cũng tác động lên vùng dưới đồi để gây sốt và nó tăng cường việc sản xuất các protein pha cấp tính.

IL-1
Interleukin 1 là một cytokin viêm được sản xuất bởi các đại thực bào hoạt hóa. Hiệu ứng của nó là tương tự như của TNF-α và nó cũng giúp hoạt hóa các tế bào T.

IL-10
Interleukin 10 được sản xuất bởi các đại thực bào hoạt hóa và các tế bào Th2. Nó chủ yếu là một cytokin ức chế. Nó ức chế sự sản xuất IFN-γ do các tế bào Th1, IFN-γ chuyển đáp ứng miễn dịch sang loại Th2. Nó cũng ức chế sản xuất cytokin của đại thực bào hoạt hóa và biểu hiện của MHC lớp II và các phân tử đồng kích thích trên các đại thực bào, dẫn đến làm giảm các phản ứng miễn dịch.

IL-12
Interleukin 12 được sản xuất bởi các đại thực bào và tế bào đuôi gai hoạt hóa. Nó kích thích sản xuất IFN-γ và gây ra sự biệt hóa của các tế bào Th để trở thành các tế bào Th1. Ngoài ra, nó tăng cường các chức năng ly giải của tế bào Tc và NK.

Interferon loại I
Interferon loại I (IFN-α và IFN-β) được sản xuất bởi nhiều loại tế bào và chúng có chức năng ức chế nhân lên của virút trong tế bào. Chúng cũng gia tăng biểu lộ các phân tử MHC lớp I trên các tế bào làm cho chúng dễ bị tiêu diệt bởi các CTL. Interferon loại I cũng hoạt hóa các tế bào NK.

INF-γ
Interferon gamma là một cytokin quan trọng được sản xuất chủ yếu bởi các tế bào Th1, mặc dù nó cũng có thể được sản xuất bởi các tế bào NK và Tc với một mức độ thấp hơn. Nó có nhiều chức năng trong cả hai hệ thống miễn dịch tự nhiên và thu được như được mô tả trong Hình 2.

Chemokin
Chemokin là cytokin hóa hướng động được sản xuất bởi nhiều loại tế bào bạch cầu và các loại tế bào khác. Chúng đại diện cho một gia đình lớn của các phân tử có chức năng lôi kéo bạch cầu đến các vị trí bị nhiễm trùng và đóng một vai trò trong tuần hoàn lympho bằng cách xác định các tế bào nào sẽ qua biểu mô và nơi nào họ được chuyển tới. Có bốn gia đình của các chemokin dựa trên khoảng cách của cystein bảo tồn. Hai ví dụ là các α-chemokin có một cấu trúc CXC (hai cystein với một acid amin khác nhau ở giữa) và β-chemokin trong đó có một cấu trúc CC (hai cystein lân cận). Cá chemokin riêng lẻ (trong cùng một gia đình) thường gắn với nhiều hơn một thụ thể.


 

Hình 4 Sự phát triển của lympho T và các cytokin. Khi tế bào T nghỉ ngơi, chúng không sản xuất các cytokin như interleukin 2, 4 hoặc 7, không biểu lộ một số lượng lớn các thụ thể của chúng và không có các thụ thể IL-2. Hoạt hóa tế bào T dẫn đến hình thành các thụ thể IL-2 ái tính cao và cảm ứng sự tổng hợp và tiết IL-2 và Il-4. Các chất này liên kết với thụ thể của chúng làm các tế bào sinh sôi nảy nở. Khi kích thích bởi các interleukin giảm đi (ví dụ khi giảm kích thích của kháng nguyên), các thụ thể phân hủy và pha tăng trưởng kết thúc. Lưu ý: kích thích bởi các cytokin có thể được thực hiện từ xa hoặc tại chỗ

Các chất trung gian của miễn dịch thu được
Cytokin đóng một vai trò quan trọng trong hệ thống miễn dịch thu được bao gồm: IL-2, IL-4, IL-5, TGF-β, IL-10 và IFN-γ.

IL-2
Interleukin 2 được sản xuất bởi các tế bào Th, mặc dù nó cũng có thể được sản xuất bởi các tế bào Tc với một mức độ thấp hơn. Nó là yếu tố tăng trưởng chính cho các tế bào T. Nó cũng thúc đẩy sự tăng trưởng của các tế bào B và có thể hoạt hóa các tế bào NK và mono như mô tả trong Hình 3. IL-2 tác động lên các tế bào T theo kiểu autocrin. Hoạt hóa của tế bào T làm biểu lộ IL-2R và sản xuất IL-2. Các IL-2 liên kết với các IL-R và kích thích phân chia tế bào. Khi các tế bào T không còn được kích thích bởi kháng nguyên, các IL-2R sẽ bị phân hủy và pha tăng trưởng kết thúc (Hình 4).

IL-4
Interleukin 4 được sản xuất bởi các đại thực bào và tế bào Th2. Nó kích thích sự phát triển của các tế bào Th2 từ tế bào Th trinh tiết và nó thúc đẩy sự tăng trưởng biệt hóa của các tế bào Th2 gây đáp ứng sinh kháng thể. Nó cũng kích thích lớp kháng thể chuyển đổi sang sản xuất các isotyp IgE.

IL-5
Interleukin 5 được sản xuất bởi các tế bào Th2 và nó có chức năng thúc đẩy sự tăng trưởng và biệt hóa của các tế bào B và bạch cầu ái toan. Nó cũng hoạt hóa bạch cầu ái toan trưởng thành.

TGF-β
Yếu tố tăng trưởng chuyển dạng beta được sản xuất bởi các tế bào T và nhiều loại tế bào khác. Đây là một cytokin ức chế. Nó ức chế sự phát triển của các tế bào T và hoạt hóa các đại thực bào. Nó cũng tác động lên các tế bào nội mô và PMN để ngăn chặn những tác động của cytokin sau viêm.

Các chất kích thích sinh máu
Một số cytokin kích thích sự biệt hóa của các tế bào máu. Chúng bao gồm GM-CSF thúc đẩy sự biệt hóa của các tế bào gốc ở tủy xương; M-CSF, thúc đẩy tăng trưởng và sự biệt hóa của tế bào gốc dòng mono và các đại thực bào; và G-CSF, thúc đẩy sản xuất các PMN.

Interleukin 17
IL-17 là cytokin hậu viêm dài khoảng 150 acid amin. Gia đình IL-17 bao gồm sáu thành viên có trình tự tương đồng, nhưng biểu lộ ở các mô khác nhau. IL-17 được sản xuất bởi các tế bào Th17 và biểu lộ quá mức của nó liên quan với các bệnh tự miễn dịch, bao gồm: bệnh đa xơ cứng, viêm khớp dạng thấp, và bệnh viêm ruột.ine


 

Hình 5a Mạng lưới cytokin. Sự liên hệ giữa các tế bào lympho và đại thực bào và vùng dưới đồi, tuyến thượng thận và gan

  Hình 5b Mạng lưới cytokin. Sự liên hệ giữa các tế bào lympho và đại thực bào và các tế bào khác và mô khác

Mặc dù trọng tâm của hầu hết các nghiên cứu là về việc sản xuất và hoạt động của cytokin trên các tế bào của hệ miễn dịch, điều quan trọng cần nhớ là nhiều cytokin trong số đó có ảnh hưởng trên các tế bào khác và các hệ thống cơ quan. Trên thực tế, mạng lưới cytokin là khá phức tạp và thể hiện một loạt các kết nối chồng chéo và liên quan đến nhau giữa các cytokin. Trong mạng lưới này, một cytokin có thể gây ra hoặc ngăn chặn sự tổng hợp của bản thân, gây ra hoặc ngăn chặn sự tổng hợp của các cytokin khác, gây ra hoặc ngăn chặn sự tổng hợp các thụ thể của cytokin (cả các thụ thể cytokin của bản thân và các cytokin khác), và đối kháng hoặc hợp tác với các cytokin khác.

Sơ đồ biểu diễn một số tương tác trong mạng cytokin được trình bày trong Hình 5a, b, c.
 

Hình 6
Điều hòa bởi kháng thể. Kháng thể hòa tan cạnh tranh với các kháng thể bề mặt tế bào để liên kết với kháng nguyên (trái) hoặc kháng thể hòa tan liên kết với thụ thể Fc tạo ra một tín hiệu ức chế (phải).

ĐIỀU HÒA MIỄN DỊCH

Độ lớn của một đáp ứng miễn dịch được xác định bởi sự cân bằng giữa hoạt hóa tế bào lympho bởi kháng nguyên và những ảnh hưởng điều hòa âm để ngăn chặn hoặc làm giảm các đáp ứng. Các cơ chế diều hòa có thể thực hiện ở các giai đoạn nhận biết, hoạt hóa hoặc hiệu ứng của một đáp ứng miễn dịch. Các ví dụ về điều hòa đã được thảo luận bao gồm:

• Nhận biết kháng nguyên trong trường hợp không có đồng kích thích làm suy giảm đáp ứng.
• Nhận biết kháng nguyên với sự tham gia của CTLA-4 của B7 làm giảm điều hòa hoạt hóa tế bào T
• Cytokin với các hoạt động kích thích hoặc ức chế các tế bào miễn dịch
• Tương tác idiotyp/anti-idiotyp dẫn đến kích thích hoặc ức chế đáp ứng miễn dịch
• Liều lượng và đường tiếp xúc với kháng nguyên có thể gây ra đáp ứng biệt hóa Th mà trong một trường hợp có thể bảo vệ và trường hợp khác lại dung thứ.

Ngoài ra còn có những con đường khác mà đáp ứng miễn dịch có thể được điều hòa.

Điều hòa bởi kháng thể (Hình 6)
Kháng thể hòa tan có thể cạnh tranh với các thụ thể kháng nguyên trên tế bào B và ức chế hoặc ngăn chặn hoạt hóa tế bào B. Ngoài ra, phức hợp kháng nguyên kháng thể có thể gắn vào các thụ thể Fc trên các tế bào B và gửi một tín hiệu ức chế vào tế bào B. Trong trường hợp này, sự điều hòa diễn ra ở mức độ nhận biết.

Ngoài ra, phức hợp kháng nguyên-kháng thể có thể gắn vào các thụ thể Fc trên các tế bào B, gửi một tín hiệu ức chế các tế bào B. Sự điều hòa này xảy ra ở cấp độ hoạt hóa.

Kháng thể cũng có thể điều hòa hoạt hóa (tăng cường) bằng cách duy trì một nguồn kháng nguyên cho APC. Trong trường hợp này, kháng thể gắn vào kháng nguyên tạo thành một phức hợp miễn dịch làm liên kết và hoạt hóa hệ thống bổ thể. Hoạt hóa bổ thể cho phép kết hợp bổ thể vào thụ thể của bổ thể trên các APC.

Điều hòa bởi cytokin
Cytokin là chất điều hòa âm hay dương. Chúng hoạt động ở nhiều giai đoạn của đáp ứng miễn dịch, nhưng hoạt động của chúng phụ thuộc vào sự có mặt của các cytokin khác trong vi môi trường cũng như biểu lộ các thụ thể trên các tế bào hiệu ứng. Cytokin điều hòa loại và mức độ của các đáp ứng miễn dịch được tạo ra.

Điều hòa bởi các tế bào T điều hòa (Tregs)
Các tế bào T điều hòa (Tregs) là một quần thể các tế bào được mô tả gần đây có khả năng điều hòa đáp ứng miễn dịch. Chúng không ngăn chặn sự hoạt hóa tế bào T ban đầu, mà chúng ức chế một đáp ứng bền vững và ngăn chặn đáp ứng mãn tính và có khả năng gây hại. Chúng không có đặc điểm của các tế bào Th1, Th2 hoặc Th17 nhưng chúng có thể ngăn chặn cả hai đáp ứng Th1 và Th2.

Tregs xuất hiện tự nhiên
Tuyến ức sinh ra nhiều các tế bào CD4+/CD25+/Foxp3+ các tế bào có chức năng như Tregs. Các tế bào Tregs này ức chế đáp ứng miễn dịch theo cách tiếp xúc trực tiếp tế bào, nhưng cơ chế của sự ức chế vẫn chưa được hiểu rõ.

Tregs cảm ứng
Ở ngoại vi một số tế bào T được cảm ứng để trở thành Tregs bởi kháng nguyên và IL-10 hoặc TGF-β. Tregs được tạo ra bởi IL-10 là CD4+/CD25+/Foxp3 và được gọi là tế bào TR1. Những tế bào này ức chế đáp ứng miễn dịch bằng cách tiết IL10. Tregs được tạo ra bởi TGF-β là CD4+/CD25+/Foxp3+, những tế bào này bị ức chế bởi sự tiết của TGF-β.

Tregs CD8+
Một số tế bào CD8+ cũng có thể được cảm ứng bởi kháng nguyên và IL-10 để trở thành một tế bào Treg. Những tế bào này là CD8+/Foxp3+ và chúng bị ức chế bởi cơ chế tiếp xúc tế bào hoặc do tiết cytokin. Những tế bào này đã được chứng minh trong ống nghiệm nhưng không biết liệu chúng tồn tại trong cơ thể.

Các yếu tố di truyền ảnh hưởng đến điều hòa miễn dịch
Các gen liên kết MHC giúp kiểm soát đáp ứng với nhiễm trùng. Một số haplotyp HLA nhất định có liên quan với các cá thể, những người có đáp ứng hoặc không có đáp ứng, là những người nhạy cảm hoặc có sức đề kháng.

Các gen không phải MHC cũng tham gia vào điều hòa miễn dịch. Một ví dụ là một gen liên quan đến hoạt hóa đại thực bào mã hóa một protein vận chuyển tham gia vận chuyển nitrit (NO2-) vào phagolysosome, protein đại thực bào liên quan đến đề kháng tự nhiên-1 (Nramp1). Sự đa hình của gen này có thể thay đổi hoạt động của các đại thực bào.

Cytokin, chemokin, và thụ thể của chúng được tham gia vào điều hòa miễn dịch như đã nói ở trên. Sự đa hình trong gen mã hóa chúng, đặc biệt là các thụ thể, đã được chứng minh là tương quan đến tính nhạy cảm với nhiễm trùng hoặc tạo ra bệnh tự miễn.