Adhesion Molecule CD44 and Inflammation FRANTIŠEK KOPŘIVA Dětská klinika FN a LF UP Olomouc
SOUHRN Autor shrnuje poznatky o expresi, struktuře a funkci adhezivní molekuly CD44 v průběhu zánětu. Klíčová slova: CD44, kyselina hyaluronová, adhezivní molekuly, zánět SUMMARY The author summarises knowledge about expression, structure and function CD44 in inflammation. Key words: CD44, hyaluronan, adhesion molecules, inflammation
Zánětlivá odpověď je reakce organismu na poškození jeho buněk a tkání, která vede k ochraně proti infikování poškozeného místa, k lokalizaci poškození a zhojení. Zánět je charakterizován zvýšením vaskulární permeability, přestupem zánětlivých buněk, uvolněním mediátorů zánětu a aktivací fibroplastických mechanismů. Zánět může být akutní nebo chronický. Akutní zánět obvykle odezní bez následků a poraněná tkáň se kompletně zhojí. Při chronickém zánětu dochází k určité destrukci tkáně a jejímu nahrazování vazivem, což může mít pro organismus vážné důsledky. Zatímco akutní zánět je fyziologickou obrannou reakcí, chronický zánět je obvykle již patologický. Jedním z prvních kroků zánětlivé odpovědi je přestup zánětotvorných buněk do místa zánětu. Zvýšená exprese adhezivních molekul je vyvolaná tvorbou chemoatraktantů v zánětlivém ložisku a na endotelu. Adhezivní molekuly zprostředkovávají komunikaci mezi buňkami založenou na přímém kontaktu. Tvoří páry, kdy jedna – receptor - je na povrchu jedné, druhá - ligand - na povrchu druhé buňky. Po interakci s vazebným partnerem přenášejí do buňky signály, které informují o adhezi a potřebě na ni reagovat. Některé adhezivní molekuly jsou exprimovány konstitučně, jiné se objevují na buňkách až po aktivaci. Aktivačním signálem může být např. vazba cytokinu. Adhezivní molekuly mohou existovat v různě afinních formách v závislosti na stavu aktivace buněk. I když v prvních fázích zánětlivé odpovědi mají zásadní roli integriny, selektiny a imunoglobulinová velkorodina, zdá se, že význam a úloha adhezivní molekuly CD44 a jejího hlavního ligandu - kyseliny hyaluronové - je neméně významná. Prostřednictvím molekuly CD44 se mohou buňky vázat na mezibuněčnou hmotu a uskutečňovat další adhezivní reakce např. mezi leukocyty a buňkami cévního endotelu (1). Exprese adhezivních molekul není omezena jen na imunitní systém: buněčná adheze je základem celé řady neimunitních fyziologických (buněčná a tkáňová diferenciace a regenerace, embryogeneze, hematopoéza) i patofyziologických (kancerogeneze, metastazování nádorových buněk) procesů. Řada adhezivních molekul existuje alternativně i v solubilní formě, které pak ovlivňují cílové buňky na
určitou vzdálenost. Naopak jsou známé membránové formy některých cytokinů. Tím se v řadě případů stírá hranice mezi cytokiny a adhezivními molekulami. V posledních letech byla studována úloha interakce komplexu CD44-hyaluronová kyselina, který se následovně podílí na průběhu zánětlivé odpovědi: • ovlivňuje přestup leukocytů • podílí se na přímé interakci mezi buňkami a tkáněmi • reguluje funkci leukocytů a parenchymových buněk • ovlivňuje průběh autoimunitních chorob a nádorových onemocnění • ovlivňuje metabolismus kyseliny hyaluronové • podílí se na organizaci a remodelingu tkání (10, 15).
Exprese, struktura a funkce CD44 CD44 je rodina adhezivních receptorů, transmembránozních glykoproteinů (mol. hm. 80–250 kDa). Je významnou proteoglykanovou složkou mezibuněčné hmoty. Izomorfie CD44 byla prokázána jak u člověka, tak i u myší. CD44 ovlivňuje proces zrání lymfocytů, aktivaci i přestup lymfocytů. U autoimunitních onemocnění je zvýšená exprese CD44v7. Naproti tomu v průběhu zánětlivé odpovědi u infekčního onemocnění i u alergických chorob je na povrchu lymfocytů v periferní krvi exprimována CD44v6. Protilátky anti-CD44v6 i anti-CD44v7 ovlivňují Th1-indukovanou pozdní buňkami zprostředkovanou odpověď. Na druhé straně jen protilátka anti-CD44v7 ovlivňuje chronický zánětlivý proces vyvolaný Th1 buňkami v zažívacím traktu. Zvýšená přítomnost CD44v byla prokázána u glomerulonefritidy, diabetu, artritidy, chronických zánětlivých onemocnění střeva i nádorových metastáz. Protilátka anti – CD44v6 neovlivňují expresi ko-stimulačních molekul a jejich ligandů např. B7-1/b7-2CD28/CTLA-4 nebo CD40-CD40 liganda. Dále snižuje tvorbu IL-2 a IFN-g, ale neovlivňuje tvorbu IL-12. CD44v7 je exprimována na povrchu subpopulace CD4 buněk, B lymfocytů a monocytů. Protilátka anti-CD44v7 snižuje tvorbu prozánětlivého cytokinu IL-12, méně IFN-g, byla prokázána i nižší hladina IL-10, ale neovliňuje tvorbu IL-2 (13). CD44 je hlavní receptor pro kyselinu hyaluronovou (HA), která se univerzálně nachází v extracelulárním prostoru. Proteoglykanová forma CD44 má afinitu i k jiným tkáňovým složkám, jako jsou fibronektin, kolagen a osteopontin, podobně jako růstové faktory a cytokiny (16). Interakce mezi CD44 a HA pro jejich všudypřítomnost musí být regulována. Prozánětlivé cytokiny aktivují buňky, které mají na povrchu HA, což zvyšuje vazbu CD44 a HA. Tento proces je na molekulární úrovni umožňován glykolysací a sulfatací. Sulfatace je pravděpodobně univerzálním mechanismem, který reguluje iniciální krok – přestup leukocytů z cév. Různé podněty zvyšují nebo oslabují vazbu CD44 a HA. Cytokiny IL-2, TNFa, chemokiny IL-8, RANTES, MIP-1b indukují vazbu HA k T lymfocytům. IL-1a, IL-1b, IL-3, GM-CSF, IFNg a LPS indukují vazbu CD44 k HA monocytů v krevním řečišti. Tuto vazbu zvyšuje svou aktivitou TNFa. Naproti tomu IL-4 a IL-13 potlačují vazbu monocytů uskutečňovanou komplexem CD44-HA. IL-10 má duální efekt: na jedné straně indukuje vazbu HA, ale potlačuje vazbu monocytů na HA indukovanou IL-1. IL-1a reguluje expresi CD44 na endoteliálních buňkách. Komplex CD44-HA indukuje expresi adhezivních molekul (VCAM, ICAM), NO syntetázu a spouští i uvolnění mediátorů zánětu (cytokinů, chemokinů) jak v leukocytech, tak i parenchymových buňkách (8). Dokonce i zvyšuje tvorbu metaloproteináz. CD44 existuje i v solubilní formě. U imunodefektů je nízká hladina sCD44. Naproti tomu u maligních onemocnění a zánětlivých procesů nacházíme vysoké hladiny sCD44. Kyselina hyaluronová: 1. ovlivňuje hydrataci a fyzikální vlastnosti tkání
2. reaguje s jinými extracelulárními makromolekulami, jako jsou aggrecan a versican 3. reaguje s buněčnými povrchovými receptory – např. CD44
Význam CD44 v průběhu zánětlivé odpovědi CD44 se nachází na leukocytech, parenchymových buňkách – endotelu, epitelu a buňkách hladkého svalstva. Stále přibývá informací, že parenchymové buňky jsou aktivní v průběhu zánětlivé odpovědi. V prvních fázích zánětlivé odpovědi CD44 umožňuje přestup leukocytů do místa zánětu. CD44 hraje klíčovou roli u různých zánětlivých stavů - zánětlivých onemocnění střeva, artritidy nebo encefalomyelitidy (3). Protilátka proti CD44 může potlačovat přestup leukocytů do místa zánětu, ale neovlivňuje jejich přestup do mízních uzlin. CD44 se chová jako kostimulační molekula T lymfocytů, a indukuje jejich proliferaci a ovlivňuje přežívání T lymfocytů. U pacientů se systémovým lupus erytematódés a chronickou artritidou byla prokázána zvýšená exprese CD44 na T lymfocytech v periferní krvi a monitorování stupně této exprese. CD44 by se mohlo stát dalším markrem aktivity autoimunitního onemocnění nebo i chronického zánětlivého procesu. CD44 též ovlivňuje přežívání buněk a odstraňování apoptotických leukocytů v průběhu zánětlivé odpovědi. Když dojde k poškození epitelu dýchacích cest, dochází k nadměrné expresi CD44, které se podílejí na zvýšené aktivitě chemokinů a růstových faktorů v poškozeném epitelu. Proces hojení poškozeného epitelu ovlivňují epidermální růstový faktor (EGF), transformující růstový faktor alfa (TGFa), heparin vázající EGF, betacellulin, amphiregulin a epiregulin. Na povrchu buněk se nacházejí čtyři podtypy EGF receptorů (7). Tyto aktivují enzymy tyrozin kinázy, které fosforylují protilehlé řetězce a na druhé straně generují nitrobuněčný signál: 1. aktivací STAT-1 a STAT-3 vedoucí k proliferaci buněk podílejících se na reparaci 2. aktivují alternativní cestu ovlivňující pohyb buněk aktivovanou vazbou CD44 na ezrin, součásti cytoskeletu. Na poškozeném epitelu jsou promptně fosforylovány EGF receptory. CD44, která je nadměrně exprimována na poškozeném epitelu, váže dostupné EGF a urychluje tak jeho vazbu na povrchové receptory. Dále CD44 váže i metaloproteinázy(MMP), které hrají roli v přestavbě tkání. Komplex CD44-MMP9 štěpí neaktivní formu TGF b a ovlivňují tak remodeling tkání. U klasického myšího modelu zánětu – alergenem indukovaného zánětu dýchacích cest a bronchiální hyperreaktivity - interakce HA-CD44 ovlivňuje přestup a funkci makrofágů, T lymfocytů a eozinofilů jako u asthma bronchiale (4). Komplex CD44-HA startuje i dozrávání eozinofilů (2, 6, 11, 14). Zvýšená exprese CD44 byla prokázána na epitelových buňkách i u pacientů s asthma bronchiale (5, 9, 12). Podobný mechanismus byl prokázán i u modelu aterosklerózy a plicní fibrózy. Současná léčba chronických zánětlivých onemocnění se snaží nespecificky potlačit aktivaci buněk imunitního systému. Interakce CD 44 s kyselinou hyaluronovou se nabízí jako nová potenciální možnost léčebného zásahu.
MUDr. F. Kopřiva Dětská klinika Puškinova 6 775 20 Olomouc tel.: 585 854 448 fax: 585 852 505 e-mail:
[email protected]
LITERATURA 1. Bartolazzi A, Nocks A, Aruffo A,Spring F, Stamenkovic I. Glycosylation of CD44 is implicated in CD44-mediated cell adhesion to hyaluronan. J Cell Biol 1996; 132: 1199-208. 2. Bradbury J. A therapeutic future for CD44 in inflammation? Lancet 2002; 359: 2008. 3. Brocke S, Piercy C, Steiman L, Weisman IL, Veromaa T. Antibodies to CD44 and integrin alpha4, but not L-selectin, prevent central nervous system inflammation and experimental encephalomyelitis by blocking secondary leukocyte recruitment. Proc Natl Acad Sci U S A 1999; 96: 6896-901. 4. Enokihara H, Koike T, Nakamura Y, Saito K, Furusawa S. Identification of surface molecules on eosinohpils and lymphocytes in blood from patients with eosinohpilia. Int arch Immunol 1997; 114 (suppl 1): 72-74. 5. Hamann KJ, Dowling TL, Neeley SP, Grant JA, Leff AR. Hyaluronic acid enhance cell proliferation during eosinopoiesis thorugh the CD44 surface antigen. J Immunol 1995; 154: 4073-4080. 6. Hartnell A, Robinson DS, Kay AB, Wardlaw A J. CD69 is expressed by human eosinophils activated in vivo in asthma nad in vitro by cytokines. Immunology 1993; 80: 281-286. 7. Holgate ST. Epithelial damage and response. Clin Exp Allergy 2000; 30 (Suppl 1): 37-41. 8. Katoh S, Taniguchi H, Matsubara Y, Matsumoto A, Fukushima K, Kadota J, Matsukura S, Kohno S. Overexpression of CD44 on alveolar eosinohpils with high concentrations of soluble CD44 in bronchoalveolar lavage fluid in patients with eosinohpilic pneumonia. Allergy 1999; 54: 1286-1292. 9. Peroni DG, Djukanovic R, Bradding P, Feather IH, Montefort S, Horwath PH, Jones DB, Holgate ST. Expression of CD44 and integrine in bronchial mucosa of normal and mildly asthmatics subjects. Eur Respir J 1996; 9: 2236-2242. 10. Pure E, Cuff CA. A crucial role for CD44 in inflammation. Trends Immunol 2001; 7: 213-221. 11. Sakamoto S, Oki K, Takahashi H, Arakawa Y, Sugita H, Hirano H, Takeuchi K, Tomichi A, Futai K, Kawabata Y. Comparison of surface antigens on eosinophils from patients with eosinohpilia. Int Arch Allergy Immunol 1996; 111 (Suppl 1): 26-28. 12. Sano K, Yamauchi K, Hoshi H, Honma M, Tamura G, Shirato K. CD44 expression on blood eosinophils is a novel marker of bronchial asthma. Int arch Allergy 1997; 114 (Suppl 1): 67-71. 13. Seiter S, Schmidt D-S, Zöller M. The CD44 variant isoforms CD44v6 and CD44v7 are expressed by distinct leukocyte subpopulations and exert non-overlapping functional activities. Internat Immunol 2000; 12: 37-49. 14. Thurau AM, Schulz U, Wolf V, Krug N, Schauer U. Identification of eosinophils by flow cytometry. Cytometry 1996; 23: 150-158. 15. Watanabe Y, Hashizume M, Kataoka S, Hamaguchi E, Morimoto A, Tsuru S, Katoh S, Miyake K, Matsushima K, Tominaga M, Kurashige T, Fujimoto S, Kincade P W, Tominaga A. Diffrentiation stages of eosinophils characterized by hyaluronic acid binding via CD44 and responsiveness to stimuli. DNA and Cell Biology 2001; 28: 189-202. 16. Weber GF, Ashak S, Glimcher MJ, Cantor H. Receptor-ligand interaction between CD44 and osteopontin (Eta-1). Science 1996; 271: 509-12.
