Sự huy động tế bào bạch cầu đến các vị trí viêm
Sự di chuyển của bạch cầu qua lớp nội mô mạch máu
Bước tiếp theo trong quá trình huy động bạch cầu là sự di chuyển của các tế bào bạch cầu qua lớp nội mô nguyên vẹn, được gọi là sự xuyên mạch (transmigration hoặc diapedesis). Sự xuyên mạch của các tế bào bạch cầu xảy ra chủ yếu trong các tiểu tĩnh mạch sau mao mạch. Các chemokines tác động lên các tế bào bạch cầu bám dính và kích thích các tế bào di chuyển qua các khe hở giữa các tế bào nội mô theo gradient nồng độ hóa học, nghĩa là, về phía vị trí của tổn thương hoặc nhiễm khuẩn, nơi mà các chemokines đang được tạo ra. Một số phân tử bám dính xuất hiện trong các vị trí nối gian bào giữa các tế bào nội mô thì có liên quan đến sự di chuyển của các tế bào bạch cầu. Các phân tử này bao gồm một thành viên của siêu họ immunoglobulin được gọi là CD31 hay PECAM-1 (tạm dịch là phân tử bám dính tế bào nội mô tiểu cầu [platelet endothelial cell adhesion molecule]). Sau khi đi qua lớp nội mô; các tế bào bạch cầu đâm xuyên qua màng đáy, có lẽ là bằng cách tiết ra collagenases, và đi vào trong khoang ngoại bào. Sau khi các tế bào bạch cầu đi qua, màng đáy trở nên liên tục trở lại. Các tế bào mà đã thoát ra khỏi mạch máu sau đó di chuyển theo gradient hóa hướng động được tạo ra bởi các chemokines và các chất hóa hướng động khác và tập trung ở vị trí ngoài mạch máu.
Bằng chứng quan trọng nhất về tầm quan trọng của các phân tử bám dính bạch cầu trong đáp ứng viêm của vật chủ là các sự thiếu hụt di truyền trong các phân tử này, điều mà tạo ra tình trạng dễ bị các nhiễm khuẩn hơn. Các sự suy giảm khả năng bám dính bạch cầu này sẽ được mô tả trong các bài viết tiếp theo nhé.
Hóa hướng động của các tế bào bạch cầu
Sau khi thoát khỏi hệ thống tuần hoàn, các tế bào bạch cầu di chuyển vào trong các mô về phía vị trí tổn thương bởi một quá trình được gọi là hóa hướng động (chemotaxis), được định nghĩa là sự di chuyển theo gradient hóa học. Cả các chất ngoại sinh và nội sinh đều có thể đóng vai trò như là các chất hóa hướng động. Các yếu tố ngoại sinh thường gặp nhất là các sản phẩm của vi khuẩn, bao gồm các peptides có các amino acids tận cùng là N-formylmethionine và một số lipid. Các chất hóa hướng động nội sinh bao gồm một số chất trung gian hóa học (được mô tả sau): (1) cytokines, đặc biệt là của họ chemokine (như IL-8); (2) các thành phần của hệ thống bổ thể, đặc biệt là C5a; và (3) các chất chuyển hóa của arachidonic acid (AA), chủ yếu là leukotriene B4 (LTB4). Tất cả các chất hóa hướng động này liên kết với các thụ cảm thể bắt cặp G protein (protein có 7 xoắn xuyên màng) (G-protein-coupled receptors) đặc hiệu trên bề mặt của các tế bào bạch cầu. Các tín hiệu được khởi động từ các thụ cảm thể này tạo ra sự hoạt hóa của các chất truyền tin thứ hai mà thúc đẩy sự polymer hóa của actin ở bờ trước của tế bào và khu trú các sợi myosin ở phía sau. Sự tái tổ chức khung xương tế bào này cho phép bờ trước của các tế bào bạch cầu mở rộng chân giả (giả túc) (filopodia) mà giúp kéo phần sau của tế bào theo hướng giả túc mở ra, rất giống với xe ô tô dẫn động cầu trước (front-wheel drive) mà được kéo bởi các bánh xe ở phía trước (Hình 5). Kết quả cuối cùng là các tế bào bạch cầu di chuyển theo hướng của các chất hóa hướng động được sản xuất cục bộ có nguồn gốc từ vị trí của kích thích gây viêm.
Bản chất của thâm nhiễm bạch cầu thay đổi theo giai đoạn của đáp ứng viêm và loại kích thích. Trong hầu hết các dạng của viêm cấp tính, các bạch cầu trung tính chiếm ưu thế trong thâm nhiễm viêm trong suốt 6 đến 24 giờ đầu tiên và được thay thế bởi các bạch cầu đơn nhân trong vòng 24 đến 48 giờ (Hình 2 – THAY CHỮ “ĐẠI THỰC BÀO” THÀNH “HOẠT ĐỘNG” GIÚP MÌNH, MÌNH GHI NHẦM). Có một số nguyên nhân cho sự chiếm ưu thế của bạch cầu trung tính: đó là chúng nhiều hơn so với các loại tế bào bạch cầu khác, đáp ứng nhanh hơn với các chemokines và có thể bám chắc hơn với các phân tử bám dính mà nhanh chóng được tạo ra trên các tế bào nội mô như P-selectin và E-selectin. Sau khi đi vào trong các mô, các tế bào bạch cầu trung tính thì có đời sống ngắn; hầu hết các tế bào bạch cầu trung tính trong các mô ngoại mạch trải qua sự chết theo chương trình trong vòng một vài ngày. Các bạch cầu đơn nhân không chỉ sống sót lâu hơn mà còn tăng sinh trong các mô và vì thế, chúng trở thành thành phần chính trong các phản ứng viêm kéo dài. Tuy nhiên, có các ngoại lệ đối với kiểu thâm nhiễm tế bào rập khuôn này. Trong một số nhiễm khuẩn nhất định – ví dụ, những nhiễm khuẩn mà được tạo ra bởi vi khuẩn Pseudomonas – sự thâm nhiễm tế bào được chiếm ưu thế bởi các bạch cầu trung tính được huy động liên tục trong vòng vài ngày; trong các nhiễm virus, các tế bào lympho có thể là các tế bào đầu tiên đến; một số phản ứng quá mẫn thì được chiếm ưu thế bởi các lympho bào hoạt hóa, các đại thực bào và các tương bào (phản ánh đáp ứng miễn dịch); và trong các nhiễm giun sán và các phản ứng dị ứng, bạch cầu ái toan có thể là loại tế bào chính.
Sự hiểu biết cấp độ phân tử của sự huy động và di chuyển của bạch cầu dẫn đến sự phát triển của một số lượng lớn các thuốc kiểm soát nhiễm khuẩn gây hại, bao gồm các thuốc chặn TNF (nói đến sau) và các thuốc đối kháng các integrins của lympho bào mà đã được cho phép sử dụng cho các bệnh lý viêm hoặc đã được kiểm tra trong các thử nghiệm lâm sàng. Có thể đoán được, các chất đối kháng này không chỉ có tác động mong muốn trong kiểm soát viêm mà còn có thể giúp cân đối khả năng chống lại các vi sinh vật của các bệnh nhân được điều trị, điều mà dĩ nhiên chính là chức năng sinh lý của đáp ứng viêm.
Các khái niệm quan trọng
Sự huy động bạch cầu đến các vị trí viêm
- Các tế bào bạch cầu được huy động từ máu vào trong mô ngoại mạch, nơi mà các bệnh nguyên gây viêm hoặc các mô bị phá hủy có thể được khu trú, di chuyển đến vị trí nhiễm khuẩn hoặc tổn thương mô và được hoạt hóa để thực hiện các chức năng của chúng.
- Sự huy động tế bào bạch cầu là một quá trình nhiều bước bao gồm sự bám lỏng lẻo vào và lăn trên nội mô mạch máu (được điều hòa bởi selectins), sự bám chắc chắn vào trong nội mô (được điều hòa bởi integrins) và sự di chuyển qua các khoảng gian tế bào nội mô.
- Các cytokines khác nhau làm tăng cường sự biểu hiện của các phối tử (ligands) của selectins và integrin trên lớp nội mô (như TNF, IL-1), làm tăng ái tính của integrins đối với các ligands của chúng (như chemokines) và tăng cường sự di chuyển định hướng của các tế bào bạch cầu (cũng là các chemokines); nhiều trong số các cytokines này được sản xuất bởi các đại thực bào mô và các tế bào khác mà đáp ứng với các bệnh nguyên hoặc các mô bị tổn thương.
- Bạch cầu trung tính chiếm ưu thế trong thâm nhiễm viêm ban đầu và được thay thế sau đó bởi các bạch cầu đơn nhân và các đại thực bào.
Một khi các tế bào bạch cầu (đặc biệt là bạch cầu trung tính và bạch cầu đơn nhân) được huy động đến một vị trí nhiễm khuẩn hoặc chết tế bào, chúng phải được hoạt hóa để thực hiện các chức năng của chúng. Các đáp ứng của các tế bào bạch cầu này bao gồm sự nhận diện các tác nhân gây hại bởi TLRs và các thụ cảm thể khác, đã được mô tả trong bài viết trước, là thành phần mà đưa các tín hiệu giúp hoạt hóa các tế bào bạch cầu để thực bào và phá hủy các tác nhân gây hại.
Sự thực bào và sự loại bỏ tác nhân gây tổn thương
Hai tế bào thực bào chính là bạch cầu trung tính và đại thực bào. Mặc dù các loại tế bào này có chung nhiều đặc điểm chức năng nhưng chúng cũng khác nhau ở nhiều phương diện đáng kể (Bảng 1).
Sự nhận diện các vi sinh vật hoặc các tế bào chết tạo ra một số đáp ứng trong các tế bào bạch cầu mà được gọi chung là sự hoạt hóa tế bào bạch cầu (leukocyte activation) (Hình 7). Sự hoạt hóa nhờ các con đường mà được khởi động trong các tế bào bạch cầu, gây ra các sự tăng lên trong Ca2+ bào tương và sự hoạt hóa của các enzymes như protein kinase C và phospholipase A2. Các đáp ứng chức năng mà quan trọng nhất cho sự phá hủy các vi sinh vật và các tác nhân gây hại khác là sự thực bào (phagocytosis) và diệt nội bào (intracellular killing). Một số đáp ứng khác hỗ trợ cho các chức năng đề kháng của quá trình viêm và có thể đóng góp vào các kết cục gây ra tổn thương của nó.
Sự thực bào (phagocytosis)
Sự thực bào liên quan với các bước tuần tự (Hình 4):
- Sự nhận diện và sự bám vào phần tử được tiêu hóa bởi tế bào bạch cầu;
- Sự nuốt, với sự hình thành kế tiếp của một không bào thực bào (phagocytic vacuole)
- Sự tiêu diệt vi sinh vật và sự thoái hóa của thành phần được tiêu hóa.
Các thụ cảm thể của thực bào (phagocytic receptors). Các thụ cảm thể mannose, các thụ cảm thể “dọn dẹp” (scavenger receptors) và các thụ cảm thể cho các opsonins khác nhau cho phép các thực bào liên kết và tiêu hóa vi sinh vật. Thụ cảm thể mannose của đại thực bào là một lectin mà liên kết với các gốc mannose và fucose tận cùng của các glycoproteins và glycolipids. Các đường này thường là một phần của các phân tử được tìm thấy trên các thành tế bào của vi sinh vật, ngược lại, các glycoproteins và glycolipids của động vật có vú chứa sialic acid và N-acetylgalactosamine tận cùng. Vì thế, thụ cảm thể mannose nhận diện các vi sinh vật chứ không phải các tế bào của vật chủ. Các thụ cảm thể “dọn dẹp” ban đầu được định nghĩa như là các phân tử mà liên kết và điều hòa sự nhập bào của các phần tử lipoprotein mật độ thấp (LDL) được oxy hóa hoặc acetyl hóa mà không tương tác với thụ cảm thể LDL thông thường. Các thụ cảm thể “dọn dẹp” của đại thực bào liên kết với nhiều loại vi sinh vật ngoài các phần tử LDL đã chỉnh sửa. Integrins của đại thực bào, đáng chú ý là MAC-1 (CD11b/CD18), cũng có thể liên kết với các vi sinh vật cho sự thực bào. Tính hiệu quả của sự thực bào được tăng cường đáng kể khi các vi sinh vật được phủ với các opsonins mà với đó các tế bào thực bào biểu hiện các thụ cảm thể có ái tính cao. Các opsonins chính là immunoglobulin G (IgG), các kháng thể, sản phẩm thoái hóa C3b của bổ thể và các lectins huyết tương nhất định, đáng chú ý là lectin và collectins liên kết với mannose, tất cả chúng đều được nhận diện bởi các thụ cảm thể đặc hiệu trên các tế bào bạch cầu.
Sự nuốt (engulfment). Sau khi một phần tử được liên kết với các thụ cảm thể của tế bào thực bào, các sự mở rộng của bào tương chảy ra xung quanh phần tử và màng bào tương tách ra để hình thành nên một túi nội bào (thể thực bào [phagosome]) mà bao lấy phần tử. Thể thực bào sau đó hợp với một hạt lysosome, thành phần mà giải phóng các chất bên trong nó vào trong thể thực bào – sinh tan (phagolysosome) (xem Hình 4). Trong suốt quá trình này, tế bào thực bào cũng có thể giải phóng các thành phần lysosome vào trong khoang ngoại bào.
Quá trình thực bào là một quá trình phức tạp và liên quan đến sự tích hợp của nhiều tín hiệu khởi đầu bởi thụ cảm thể mà dẫn đến sự tái cấu trúc màng và các sự thay đổi của khung xương tế bào. Sự thực bào thì phụ thuộc vào sự polymer hóa của các vi sợi actin; vì thế, không bất ngờ khi biết rằng các tín hiệu mà khởi động sự thực bào thì rất giống với các tín hiệu mà liên quan đến hóa hướng động.
Sự phá hủy nội bào các vi sinh vật và xác tế bào
Sự tiêu diệt các vi sinh vật được thực hiện bởi các gốc oxygen phản ứng (reactive oxygen species – ROS), còn được gọi là các trung gian oxygen phản ứng (reactive oxygen intermediates), và các gốc nitrogen phản ứng (reactive nitrogen species), chủ yếu có nguồn gốc từ nitric oxide (NO) và các gốc này cũng như là các enzymes lysosome giúp phá hủy các thành phần được thực bào (xem Hình 4). Đây là bước cuối cùng trong sự loại bỏ các tác nhân nhiễm khuẩn và xác tế bào chết. Sự tiêu diệt và thoái hóa các vi sinh vật và xác tế bào chết bên trong các bạch cầu trung tính và đại thực bào xảy ra hiệu quả nhất sau sự hoạt hóa của các thực bào. Tất cả các cơ chế tiêu diệt này bình thường được giới hạn trong các lysosomes, khi mà các nguyên liệu bị thực bào được mang đến đó. Vì thế, các chất có khả năng gây hại được cô lập khỏi bào tương và nhân của tế bào để tránh tổn thương do thực bào trong khi nó đang thực hiện chức năng một cách bình thường.
Các gốc oxygen phản ứng. ROS được sản xuất bởi sự lắp ráp và hoạt hóa nhanh của oxidase đa thành phần, là NADPH oxidase (còn được gọi là oxidase thực bào [phagocyte oxidase]), mà giúp oxy hóa nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADPH) khử và trong quá trình này, cũng giúp khử oxygen thành anion superoxide (O2•–). Trong bạch cầu trung tính, phản ứng oxy hóa này được khơi mào bằng cách hoạt hóa các tín hiệu kèm theo quá trình thực bào và được gọi là “sự bùng nổ hô hấp” (respiratory burst). Oxidase thực bào là một phức hợp enzyme bao gồm ít nhất 7 proteins. Trong các bạch cầu trung tính bình thường, các thành phần khác nhau của enzyme thì nằm trong màng bào tương và bào tương. Trong đáp ứng với các kích thích hoạt hóa, các thành phần protein bào tương chuyển vị đến màng thể thực bào, nơi mà chúng lắp ráp và hình thành nên phức hợp enzyme có chức năng. Vì thế, ROS được sản xuất bên trong thể thực bào – sinh tan, nơi mà chúng có thể tác động lên các phần tử được tiêu hóa mà không phá hủy tế bào vật chủ. O2•– được chuyển thành hydrogen peroxide (H2O2), hầu hết bởi sự tự oxy hóa khử tự phát (spontaneous dismutation). H2O2 thì không có khả năng tiêu diệt các vi sinh vật một cách hiệu quả bởi chính nó. Tuy nhiên, các hạt ưa azure (azurophilic granules) của các bạch cầu trung tính chứa enzyme myeloperoxidase (MPO), là thành phần mà trong sự có mặt của một halide như Cl–, giúp chuyển H2O2 thành hypochlorite (HOCl˙), thành phần hoạt động trong thuốc tẩy rửa gia dụng. Nó là một chất kháng vi sinh vật mạnh mà giúp phá hủy các vi sinh vật bởi sự halogen hóa (trong đó halide được liên kết cộng hóa trị với các thành phần của tế bào) hoặc bởi sự oxy hóa các proteins và lipids (sự peroxy hóa lipid [lipid peroxidation]). Hệ thống H2O2-MPO-halide là hệ thống diệt khuẩn mạnh mẽ nhất của bạch cầu trung tính. Cho dù là như vậy, khiếm khuyết di truyền của chính MPO chỉ gây ra sự tăng lên tối thiểu trong việc dễ bị mắc nhiễm khuẩn, điều này nhấn mạnh sự “dư thừa” (redundancy) các cơ chế tiêu diệt vi khuẩn trong các tế bào bạch cầu. H2O2 cũng được chuyển thành gốc hydroxyl (˙OH), một chất phá hủy vi sinh vật mạnh mẽ khác. Như được bàn đến trong các bài viết sau, các gốc tự do có nguồn gốc oxygen này liên kết và chỉnh sửa các lipids, proteins và các nucleic acids của tế bào và vì thế, phá hủy các tế bào như các vi sinh vật.
Các gốc có nguồn gốc từ oxygen có thể được giải phóng ngoại bào từ các tế bào bạch cầu sau khi tiếp xúc với các vi sinh vật, các chemokines và các phức hợp kháng nguyên-kháng thể hoặc theo sau một yêu cầu thực bào. Các ROS này có liên quan với tổn thương mô kèm theo viêm.
Huyết tương, các dịch mô và các tế bào vật chủ sở hữu các cơ chế chống oxy hóa mà giúp bảo vệ các tế bào khỏe mạnh khỏi các gốc có nguồn gốc từ oxygen có khả năng gây hại này. Các chất chống oxy hóa này sẽ được nói đến trong các bài viết sau và bao gồm (1) enzyme superoxide dismutase, là thành phần được tìm thấy trong và có thể được hoạt hóa trong nhiều loại tế bào; (2) enzyme catalase, là thành phần khử độc H2O2; (3) glutathione peroxidase, một chất khử độc H2O2 mạnh mẽ khác; (4) protein huyết tương chứa đồng ceruloplasmin; và (5) phần không chứa sắt của transferrin huyết tương.
Các thiếu hụt di truyền của các thành phần oxidase thực bào gây ra một bệnh suy giảm miễn dịch được gọi là bệnh u hạt mạn tính (chronic granulomatous disease – CGD), sẽ được nói đến trong các bài viết tiếp theo nhé.
Cảm ơn các bạn đã theo dõi bài viết. Hẹn gặp lại các bạn trong các bài viết tiếp theo nhé !!!