Abstrakt

Peptydy antydrobnoustrojowe wykazują działanie przeciwbakteryjne, przeciwwirusowe, mają zdolność hamowania infekcji grzybiczych oraz infestacji pasożytniczych. Mogą również modulować odpowiedź immunologiczną wrodzoną i nabytą. Astma oskrzelowa to częsta choroba, którą charakteryzuje przewlekłe zapalenie toczące się w nabłonku drzewa oskrzelowego oraz nadreaktywność oskrzeli i ataki duszności. Zapalenie ma charakter alergiczny, a komórki uczestniczące w tym procesie to eozynofile, mastocyty, limfocyty Th2 i monocyty. Częstą przyczyną zaostrzeń astmy są infekcje wirusowe. Praca omawia najnowsze doniesienia o znaczeniu peptydów antydrobnoustrojowych w patogenezie astmy oskrzelowej.

Wstęp

Zainteresowania badaczy od wielu lat skupiają się na wykazaniu działań hamujących rozwój różnych drobnoustrojów chorobotwórczych. Historia odkryć tego typu substancji rozpoczyna się od Aleksandra Fleminga, który wraz z Howardem Floreyem i Ernstem Chainem w 1945 r. otrzymał Nagrodę Nobla za odkrycie penicyliny G [6]. Początkowo z przeróżnych organizmów począwszy od roślin przez pajęczaki, płazy i ssaki izolowano czynniki, które w małych stężeniach wykazywały działanie przeciwbakteryjne. Przeprowadzone analizy dowiodły, że substancje te mają budowę peptydową. W zależności od rodzaju analizowanego czynnika, mogą zawierać 12-100 aminokwasów i zawierają ładunek dodatni [1].

U roślin peptydy antydrobnoustrojowe to tioniny i defensyny. Występują w  liściach, kwiatach, nasionach i bulwach [29]. Obronne peptydy występujące u bezkręgowców to cekropia, melittyna, tachylepsyna i polipemuzyna. Intrygujące jest to, że melittyna występuje zarówno w jadzie pszczelim jak również w miodzie [2,18]. Polipemusyna natomiast ma właściwości hamowania infekcji HIV [25]. U  płazów dobrze poznanym peptydem działającym obronnie przed wirusami, bakteriami Gram-ujemnymi, Gram-dodatnimi oraz grzybami jest magainina. Peptydami o silnym działaniu antybakteryjnym i przeciwgrzybiczym są dermaseptyna, izolowana ze skóry południowoamerykańskich żab oraz buforyny wytwarzane przez ropuchy azjatyckie [9,15].

Dużą i różnorodną grupą endogennych peptydów antydrobnoustrojowych występujących u kręgowców są katelicydyny, które stwierdzono u takich ssaków jak mysz, królik, owca, koń, a także u człowieka. Warto dodać, że katelicydyny były pierwszymi peptydami przeciwbakteryjnymi odkrytymi u człowieka. Czynniki te są wytwarzane przez neutrofile oraz komórki nabłonkowe jamy ustnej, płuc, dróg moczowo-płciowych i skóry [1]. Dotąd odkryto prawie 1700 peptydów o działaniu hamującym drobnoustroje chorobotwórcze, określane w literaturze anglojęzycznej akronimen AMPs (antimicrobial peptides). W pełni zasadna jest propozycja Witkowskiej i wsp., aby określać peptydy antydrobnoustrojowe skrótem PAD, z tego względu, że AMP ma już ugruntowaną pozycję i jednoznacznie kojarzy się z adenylomonofosforanem [28]. PAD są elementem wrodzonej odporności immunologicznej człowieka. Wyróżnia się dwie zasadnicze grupy peptydów drobnoustrojowych: katelicydyny oraz ß defensyny.

Katelicydyny

Katelicydyny są wytwarzane przez neutrofile, komórki nabłonkowe skóry, jamy ustnej, układu oddechowego, układu moczowo-płciowego oraz przewodu pokarmowego. Geny kodujące te peptydy są określane jako CAMP. Katelicydyny są wytwarzane w postaci białek nieaktywnych. Dopiero z udziałem proteaz serynowych, takich jak kalikreina 5 i 7 w keratynocytach, czy proteaza serynowa 3 w neutrofilach stają się funkcjonalnie aktywnymi peptydami określanymi jako LL-37. Do najważniejszych czynników stymulujących wytwarzanie LL-37 należą: uszkodzenia skóry, witamina D3 , cząstki pochodzenia bakteryjnego – głównie lipopolisacharydy oraz IL-6 i kwas retinowy [24].

Ludzka katelicydyna LL-37 wykazuje zdolności bakteriobójcze w stosunku do bakterii Gram-dodatnich, Gram-ujemnych oraz grzybów chorobotwórczych i wirusów. Działanie obronne katelicydyn nie ogranicza się tylko do bezpośredniego działania neutralizującego patogeny, białka te mają także zdolność indukcji odpowiedzi zapalnej. Dowiedziono, że LL-37 działa chemotaktycznie na neutrofile, limfocyty T, bazofile, monocyty oraz komórki śródbłonka naczyniowego. Przez receptory TLR (Toll-like receptor) wpływają na komórki układu APC (antygen presenting cells), głównie na komórki dendrytyczne [7].

Defensyny

U ssaków rozróżnia się α-, β- i θ-defensyny, natomiast u człowieka występują α- i β-defensyny. Zależnie od rodzaju defensyny znajdują się w ziarnistościach neutrofilów, w makrofagach, komórkach NK, komórkach Panetha, komórkach nabłonkowych, w skórze, na powierzchni błon śluzowych dróg oddechowych i  dróg moczowo-płciowych oraz w płynach ustrojowych [11].

Defensyny, podobnie jak katelicydyny, są wytwarzane w  postaci propeptydów i  do aktywności biologicznej wymagają modyfikacji potranslacyjnej. Ekspresja defensyn może być konstytutywna, np. ludzka β-defensyna 1 (hBD-1) lub indukowana, jak w przypadku hBD-2, której ekspresja jest stymulowana przez różnego rodzaju czynniki infekcyjne, uszkodzenia tkanek czy cytokiny prozapalne. W wywarzanie defensyn mogą być zaangażowane również TLR, a zwłaszcza TLR2. Defensyny mają zdolność aktywacji komórek tucznych i mogą doprowadzać do degranulacji ziarnistości tych komórek, co powoduje uwalnianie histaminy i innych mediatorów reakcji alergicznej. Oppenheim i wsp. wykazali, że poprzez receptory CCR6, defensyna hBD-2 działa chemotaktycznie na niedojrzałe komórki dendrytyczne i limfocyty T [16]. Jednocześnie zauważono, że nasilenie chomotaksji zależy od miejscowego stężenia defensyny. Istotnym źródłem chemotaktycznie działających PAD są neutrofile. Komórki te w miejscu zapalenia wydzielają zarówno defensyny jak i katalicydyny – LL-37, które działają chemotaktycznie na monocyty, niezróżnicowane limfocty T i komórki dendrytyczne [11].

Przytoczone informacje świadczą o tym, że peptydy antydrobnoustrojowe nie działają tylko na drobnoustroje, ale są również ważnym elementem modulującym reakcje obronne układu immunologicznego.

Astma oskrzelowa a peptydy antydrobnoustrojowe

Przewlekły proces zapalny toczący się w nabłonku drzewa oskrzelowego oraz nadreaktywność oskrzeli, to najistotniejsze elementy patogenetyczne astmy oskrzelowej. Objawami klinicznymi astmy są napady kaszlu, duszności i ograniczenia aktywności człowieka. Zapalenie, które pod wpływem różnych czynników ulega zaostrzeniu, doprowadza do uszkodzenia nabłonka oskrzelowego [19]. Dochodzi więc do osłabienia ważnej bariery obronnej układu oddechowego. Zdaniem Panyuticha w destrukcji nabłonka mają swój udział defensyny, ponieważ stwierdzono, że białka te mają zdolność wiązania inhibitorów serynowych – serpin i w ten sposób utrzymuje się duża aktywność elastazy pochodzenia neutrofilowego [20]. U osób zdrowych PAD indukują w nabłonku oskrzelowym wytwarzanie chemokin, takich jak IL-8, leukotrien B4, w limfocytach T stymulują uwalnianie interferonów, IL-6, IL-10. Dowiedziono nawet, że defensyny mogą zwiększać ekspresję genów odpowiedzialnych za wytwarzanie śluzu w komórkach nabłonka oskrzeli.

U  chorych na astmę oskrzelową, defensyny, oprócz mediatorów zapalnych, podejrzewane są o  udział w nadmiernej przepuszczalności i apoptozie nabłonka oddechowego. Osoby dotknięte astmą oskrzelową wykazują zwiększoną skłonność do infekcji [3]. Vega i wsp. wykazali, że w czasie infekcji wzrasta wytwarzanie defensyn w nabłonku oskrzelowym, jednak ich zdolności do neutralizacji drobnoustrojów chorobotwórczych są mocno ograniczone [27]. Wytłumaczeniem tego, poza zaburzeniami immunologicznymi polegającymi na nadmiernej aktywacji limfocytów Th2, jest zmiana właściwości biologicznych defensyn. Paone i wsp. udowodnili, że u pacjentów chorujących na astmę oskrzelową dochodzi do ADP-rybozylacji defensyn [21,22]. Modyfikacja taka sprawia, że choć białka te są wytwarzane w zwiększonej ilości, to ich zdolności do neutralizacji drobnoustrojów chorobotwórczych są zmniejszone. Inne wytłumaczenie defektu obronnego defensyn przedstawili Levy i wsp., którzy wykazali mutacje w obrębie genów HBD1 kodujących ß-defensyny [12]. Ich zdaniem, istnieje asocjacja między polimorfizmami HBD1, a atopią, nadmiernym wytwarzaniem IgE i astmą oskrzelową.

W etiologii astmy oskrzelowej dużą uwagę zwraca się jeszcze na inne elementy odporności nieswoistej. Wykrycie TLRs (Toll-like receptors) umiejscowionych na powierzchni komórek nabłonkowych, było inspiracją do poznania ich roli w rozwoju astmy. Zasadnicza rola TLR polega na rozpoznawaniu struktur charakterystycznych dla czynników infekcyjnych określanych jako PRRs (pattern-recognition receptors). Wśród TLRs występuje specyfika w rozpoznawaniu ligandów charakterystycznych dla wirusów, bakterii oraz pasożytów. TLR1, 2, 4, 5 i 9 rozpoznają struktury bakteryjne, TLR6 – elementy budowy grzybów chorobotwórczych, natomiast TLR3 i 9 rozpoznają struktury charakterystyczne dla wirusów i pierwotniaków [5]. Najważniejszymi PRRs są lipopolisacharydy, proteoglikany oraz DNA pochodzenia wirusowego bądź bakteryjnego. Badania epidemiologiczne wykazały, że ekspozycja dzieci do szóstego miesiąca życia na lipopolisacharydy bakteryjne zmniejsza ryzyko zachorowania na astmę oskrzelową i inne schorzenia o podłożu atopowym [4]. Badania genetyczne polimorfizów genowych TLR wskazują na możliwy związek między rozwojem astmy oskrzelowej, a zmianami w ich obrębie. Wyniki badań zwracają uwagę na polimorfizmy genów kodujących TLR4, TLR2 jako ważny element rozwoju astmy oskrzelowej. Polimorfizm genu TLR4 może być odpowiedzialny za zmiejszone wytwarzanie IL-12 i IL- 10 już we wczesnym dzieciństwie, co może usposabiać do zwiększonego ryzyka rozwoju astmy oskrzelowej [13].

Witamina D3 a ekspresja PAD w astmie oskrzelowej

W ostatnim czasie uwagę, przyciąga witamina D3 , jako ważny element modulujący reakcje układu immunologicznego. Stwierdzono bowiem jej wielokierunkowe działania na układ obronny człowieka [17]. Udowodniono, że witamina D3 może wyciszać nadmierne reakcje zapalne, a dzieje się tak przez zmniejszoną ekspresję TLR na komórkach dendrytycznych, zmniejszone wydzielanie cytokin prozapalnych i osłabienie prezentacji antygenów. Jednak witamina D3 wzmaga fagocytozę w makrofagach i jest stymulatorem wytwarzania PAD w nabłonku dróg oddechowych oraz w skórze [23]. Zachodzi zatem pytanie, czy istnieje związek między niedoborem witaminy D3 , a rozwojem alergii. Zagadnienie to jest trudne do rozstrzygnięcia, ponieważ częstość występowania chorób alergicznych, jak i obniżone stężenie witaminy D3 w populacji ogólnej jest bardzo duża. Przeprowadzono jednak badania, które jednoznacznie wskazują na związek między niedoborem witaminy D3 , a chorobami alergicznymi, takimi jak alergiczny nieżyt nosa, astma oskrzelowa i atopowe zapalenie skóry [10]. Stwierdzono dodatnią korelację między niskimi stężeniami witaminy D3 (< 25 nmol/l), a nadmiernym wytwarzaniem IgE. W przypadku astmy oskrzelowej wykazano ścisły związek między deficytem D3 , a częstymi zaostrzeniami i gorszymi wskaźnikami spirometrycznymi [8]. Badania przeprowadzone przez Majaka i wsp. wśród 616 dzieci chorych na astmę oskrzelową wykazały, że około 25% wykazuje deficyt witaminy D3 [14]. Suplementacja tej witaminy zmniejsza częstość infekcji wirusowych oraz liczbę zaostrzeń astmatycznych [25,26].

Przypisy

• 1. Afshar M., Gallo R.L.: Innate immune defense system of the skin.Vet. Dermatol., 2013; 24: 32-38.e8-9
  Google Scholar
• 2. Alvarez-Suarez J.M, Giampieri F., Battino M.: Honey as a sourceof dietary antioxidants: structures, bioavailability and evidence ofprotective effects against human chronic diseases. Curr. Med. Chem.,2013; 20: 621-638
  Google Scholar
• 3. Beisswenger C., Kandler K., Hess C., Garn H., Felgentreff K., WegmannM., Renz H., Vogelmeier C., Bals R.: Allergic airway inflammationinhibits pulmonary antibacterial host defense. J. Immunol.,2006; 177: 1833-1837
  Google Scholar
• 4. Eder W., Klimecki W., Yu L., von Mutius E., Riedler J., Braun-FahrländerC., Nowak D., Holst O., Martinez F.D.; ALEX-Team: Associationbetween exposure to farming, allergies and genetic variationin CARD4/NOD1. Allergy, 2006; 61: 1117-1124
  Google Scholar
• 5. Fekonja O., Avbelj M., Jerala R.: Suppression of TLR signalingby targeting TIR domain-containing proteins. Curr. Protein Pept.Sci., 2012; 13: 776-788
  Google Scholar
• 6. Fleming A.: On a remarkable bacteriolytic element found in tissuesand secretions. Proc. R. Soc. Lond. B, 1922; 93: 306-317
  Google Scholar
• 7. Frasca L., Lande R.: Role of defensins and cathelicidin LL37 inauto-immune and auto-inflammatory diseases. Curr. Pharm. Biotechnol.,2012; 13: 1882-1897
  Google Scholar
• 8. Huang H., Porpodis K., Zarogoulidis P., Domvri K., Giouleka P.,Papaiwannou A., Primikyri S., Mylonaki E., Spyratos D., Hohenforst–Schmidt W., Kioumis I., Zarogoulidis K.: Vitamin D in asthma andfuture perspectives. Drug Des. Devel. Ther., 2013; 7: 1003-1013
  Google Scholar
• 9. Jang S.A., Kim H., Lee J.Y., Shin J.R., Kim da J., Cho J.H., Kim S.C.:Mechanism of action and specificity of antimicrobial peptides designedbased on buforin IIb. Peptides, 2012; 34: 283-289
  Google Scholar
• 10. Kho A.T., Sharma S., Qiu W., Gaedigk R., Klanderman B., Niu S.,Anderson C., Leeder J.S., Weiss S.T., Tantisira K.G.: Vitamin D relatedgenes in lung development and asthma pathogenesis. BMC MedGenomics, 2013; 6: 47-58
  Google Scholar
• 11. Leonard B.C., Affolter V.K., Bevins C.L.: Antimicrobial peptides:agents of border protection for companion animals. Vet. Dermatol.,2012; 23: 177-182
  Google Scholar
• 12. Levy H., Raby B.A., Lake S., Tantisira K.G., Kwiatkowski D., LazarusR., Silverman E.K., Richter B., Klimecki W.T., Vercelli D., MartínezF.D., Weiss S.T.: Association of defensin β-1 gene polymorphisms withasthma. J. Allergy Clin. Immunol., 2005; 115: 252-258
  Google Scholar
• 13. Lundberg A., Wikberg L.A., Ilonen J., Vaarala O., Böttcher M.F.:Lipopolysaccharide-induced immune responses in relation to theTLR4(Asp299Gly) gene polymorphism. Clin. Vaccine Immunol., 2008;15: 1878-1883
  Google Scholar
• 14. Majak P., Olszowiec-Chlebna M., Smejda K., Stelmach I.: VitaminD supplementation in children may prevent asthma exacerbationtriggered by acute respiratory infection. J. Allergy Clin. Immunol.,2011; 127: 1294-1296
  Google Scholar
• 15. Maria-Neto S., Candido Ede S., Rodrigues D.R., de Sousa D.A., daSilva E.M., de Moraes L.M., Otero-Gonzalez Ade J., Magalhaes B.S.,Dias S.C., Franco O.L.: Deciphering the magainin resistance processof Escherichia coli strains in light of the cytosolic proteome. Antimicrob.Agents Chemother., 2012; 56: 1714-1724
  Google Scholar
• 16. Oppenheim J.J., Yang D.: Alarmins: chemotactic activators ofimmune responses. Curr. Opin. Immunol., 2005; 17: 359-365
  Google Scholar
• 17. Pałgan K., Bartuzi Z.: Czynniki genetyczne i środowiskowe w rozwojualergii na pokarmy. Postępy Hig. Med. Dośw., 2012; 66: 385-391
  Google Scholar
• 18. Pałgan K., Bartuzi Z.: Właściwości biologiczne jadu pszczół. AlergiaAstma Immunologia, 2009; 14: 17-19
  Google Scholar
• 19. Pałgan K., Dziedziczko A., Bartuzi Z.: Remodeling of the basementmembrane and airway epithelium in patients with asthma.Pol. Merkur. Lekarski, 2005; 19: 553-555
  Google Scholar
• 20. Panyutich A.V., Hiemstra P.S., van Wetering S., Ganz T.: Humanneutrophil defensin and serpins form complexes and inactivate eachother. Am. J. Respir. Cell Mol. Biol. 1995; 12: 351-357
  Google Scholar
• 21. Paone G., Stevens L.A., Levine R.L., Bourgeois C., Steagall W.K.,Gochuico B.R., Moss J.: ADP-ribosyltransferase-specific modificationof human neutrophil peptide-1. J. Biol. Chem., 2006; 281: 17054-17060
  Google Scholar
• 22. Paone G., Wada A., Stevens L.A., Matin A., Hirayama T., Levine R.L.,Moss J.: ADP ribosylation of human neutrophil peptide-1 regulates itsbiological properties. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2002; 99: 8231-8235
  Google Scholar
• 23. Roider E., Ruzicka T., Schauber J.: Vitamin D, the cutaneousbarrier, antimicrobial peptides and allergies: is there a link? AllergyAsthma Immunol. Res., 2013; 5: 119-128
  Google Scholar
• 24. Sirisinha S.: Insight into the mechanisms regulating immunehomeostasis in health and disease. Asian Pac. J. Allergy Immunol.,2011; 29: 1-14
  Google Scholar
• 25. Tziveleka L.A., Vagias C., Roussis V.: Natural products with anti–HIV activity from marine organisms. Curr. Top. Med. Chem., 2003;3: 1512-1535
  Google Scholar
• 26. Urashima M., Segawa T., Okazaki M., Kurihara M., Wada Y., Ida H.:Randomized trial of vitamin D supplementation to prevent seasonalinfluenza A in schoolchildren. Am. J. Clin. Nutr., 2010; 91: 1255-1260
  Google Scholar
• 27. Vega A., Ventura I., Chamorro C., Aroca R., Orovigt A., GómezE., Puente Y., Martínez A., Asturias J.A., Monteseirín J.: Neutrophildefensins: their possible role in allergic asthma. J. Investig. Allergol.Clin. Immunol., 2011; 21: 38-43
  Google Scholar
• 28. Witkowska D., Bartyś A., Gamian A.: Defensyny i katelicydynyjako naturalne antybiotyki peptydowe. Postępy Hig. Med. Dośw.,2008; 62: 694-707
  Google Scholar
• 29. Zhang Y., Lubberstedt T., Xu M.: The genetic and molecular basisof plant resistance to pathogens. J. Genet. Genomics, 2013; 40: 23-35
  Google Scholar

Pełna treść artykułu