Makrofág

Makrofág (z gréčtiny: veľkí jedáci, μακρός (makrós) - veľký, φαγείν (phageín) - jesť) je typom bielej krvinky imunitného systému, ktorá je charakteristická svojou schopnosťou fagocytózy, dokáže pohlcovať a tráviť úlomky buniek, mikróby, rakovinové bunky a čokoľvek iné, čo nemá na svojom povrchu proteíny špecifické pre zdravé telové bunky. Tieto makrofágy sa nachádzajú takmer vo všetkých tkanivách, kde hliadkujú proti potenciálnym patogénom pomocou améboidného pohybu. Majú rôzne názvy (Kupfferové bunky, histiocyty, alveolárne makrofágy, mikroglia atď.), ale všetky sú súčasťou mononukleárneho fagocytového systému. Okrem fagocytózy zohrávajú dôležitú úlohu vo vrodenej imunitnej ochrane a tiež pomáhajú iniciovať špecifické obranné mechanizmy adaptívnej imunity tým, že aktivujú iné imunitné bunky ako napríklad lymfocyty. Napríklad prezentujú antigény T-bunkám. Disfunkčné makrofágy u ľudí spôsobujú závažné ochorenia ako je chronické granulomatózne ochorenie, ktoré vedie k častým infekciám.
Okrem zvyšovania zápalu a stimulácie imunitného systému hrajú makrofágy tiež dôležitú protizápalovú úlohu a môžu znižovať imunitné reakcie prostredníctvom uvoľňovania cytokínov. Makrofágy, ktoré podporujú zápal, sa nazývajú makrofágy M1, zatiaľ čo tie, ktoré zmierňujú zápal a podporujú liečbu tkaniva, sa nazývajú M2. Ľudské makrofágy majú priemer približne 21 μm a sú produkované diferenciáciou monocytov v tkanivách. Môžu byť charakterizované prietokovou cytometriou alebo imunohistochemickým farbením podľa expresie špecifických proteínov na ich povrchu ako sú CD14, CD40, CD11b, CD64, F4/80 (myš)/ EMR1 (človek), lyzozým M, MAC-1/MAC-3 a CD68.
Makrofág objavil ruský zoológ Iľja Iľjič Mečnikov v roku 1884.

Vývoj

Makrofágy, ktoré sa zdržiavajú v dospelých zdravých tkanivách, buď pochádzajú z cirkulujúcich monocytov, alebo sú vytvorené pred narodením a potom sa udržiavajú nezávisle na monocytoch. Oproti tomu, väčšina makrofágov, ktoré sa hromadia na poškodených miestach pochádzajú z cirkulujúcich monocytov. Keď monocyt prechádza endotelom cievy do poškodeného tkaniva (extravazácia leukocytov), prechádza mnohými zmenami, pokiaľ sa stane makrofágom. Monocyty sú priťahované k poškodenému miestu chemickými látkami pomocou chemotaxie, vyvolanými rôznymi podnetmi, napríklad poškodenými bunkami, patogénmi a aj cytokínmi, ktoré sú produkované makrofágmi, ktoré sú už na mieste. Na rozdiel od krátkodobo žijúcich neutrofilov, makrofágy dokážu v tele prežívať aj niekoľko mesiacov.

Fagocytóza

Makrofágy sú profesionálne fagocyty a špecializujú sa na fagocytovanie umierajúcich alebo už mŕtvych buniek a bunkových častí. Tento proces je dôležitý pri chronickom zápale, kedy v začiatočnom štádiu prevládajú neutrofily a tie sú potom odstraňované pomocou makrofágov. Odstraňovanie mŕtvych buniek je vo väčšej miere zabezpečené pomocou fixných makrofágov, vyskytujúcich sa na strategických miestach, ako sú pľúca, pečeň, slezina, nervové tkanivo, kosti a spojivové tkanivo. Keď makrofág pohltí patogén, ten sa zachytí vo fagozóme a ten sfúzuje s lyzozómom. Vo fagolyzozóme sú patogény trávené pomocou enzýmov a toxických peroxidov. Niektoré baktérie, ako napríklad Mycobacterium tuberculosis, sú rezistentné proti tejto metóde trávenia. Tyfoidné salmonely indukujú ich vlastnú fagocytózu pomocou hostiteľských makrofágov in vivo a inhibujú trávenie lyzozomálnym účinkom a tak využívajú makrofágy pre svoju vlastnú replikáciu a spôsobujú apoptózu makrofágov. Makrofágy môžu stráviť okolo 100 baktérií pred tým, než sami zahynú kvôli svojim tráviacim látkam.

Úloha v adaptívnej imunite

Na základe imunologických odpovedí sa makrofágy klasifikujú ako aktivované (makrofágy M1), ktoré sa podieľajú na reakciách spojených s pomocnými Th lymfocytmi a alternatívne aktivované makrofágy (makrofágy M2), ktoré odpovedajú na interleukíny IL-4 a IL-13. Vo všeobecnosti platí, že makrofágy M2 sú súčasťou polarizovanej odpovede pomocných Th2 lymfocytov. Z toho vyplýva, že makrofágy M2 fungujú v mnohých fyziologických a patologických procesoch ako napríklad homeostáza, protizápalové procesy, opravy, metabolické procesy a malignity. Po poškodení tkaniva alebo pri infekcii, makrofágy obvykle vykazujú prezápalový fenotyp a vylučujú prezápalové mediátory ako sú TNF-α, IL-1, NO a ROS, ktoré sa zúčastňujú rôznych antimikrobiálnych procesov. Naviac IL-12 a IL-23 sú exprimované aktivovanými makrofágmi a ďalej ovplyvňujú polarizáciu Th1 a Th 17 buniek.

Úloha v svalovej regenerácii

Na svalovej regenerácii sa podieľajú dve vlny makrofágov, jedna, ktorá sa priamo podieľa na regenerácii a druhá, ktorá sa na tom podieľa nepriamo. Začiatočná vlna sú fagocytujúce makrofágy, ktoré sa objavujú pri zvýšenom používaní svalu, tie sú dostatočné k tomu, aby spôsobili zápal a lýzu svalovej membrány a tak môžu vstupovať dovnútra a odstraňovať obsah poškodených svalových vlákien. Makrofágy tejto prvej fázy dosahujú maxima do 24 hodín po svalovom poškodení alebo po záťaži a po 48 hodinách ich koncentrácia rýchlo klesá. Druhou skupinou sú nefagocyty, ktoré sú distribuované v blízkosti regeneračných vlákien. Svojho maxima nadobúdajú medzi druhým a štvrtým dňom a zostávajú zvýšené po dobu svalovej prestavby.  Prvá fagocytárna skupina nemá priamy prínos pre regeneráciu svalov, zatiaľ čo druhá má. Je známe, že účinok makrofágov na opravu tkaniva nie je špecifický pre svalovú hmotu, ale že sa hromadia v rôznych tkanivách behom uzdravovacieho procesu po zranení.

Úloha v hojení poranení

Makrofágy sú potrebné pre hojenie rán. Nahradzujú polymorfonukleárne neutrofily hneď druhý deň po poranení. Do miesta zranenia sú priťahované monocyty rastovými faktormi, ktoré produkujú krvné doštičky a iné bunky a tak vstupujú do danej oblasti stenami ciev. Vrchol koncentrácie monocytov v oblasti rany je po jednom až jeden a pol dni. Po presune monocytov do rany dozrievajú na makrofágy. Slezina obsahuje polovicu monocytov, ktoré sú pripravené v prípade potreby prejsť tiež do rany. Hlavnou úlohou makrofágov je fagocytácia baktérií a poškodeného tkaniva. Makrofágy tiež vylučujú mnoho rôznych faktorov, ako sú rastové faktory a cytokíny, hlavne v priebehu tretieho a štvrtého dňa po poranení. Tieto faktory priťahujú bunky, ktoré sa podieľajú na proliferačnej fáze liečby. Makrofágy môžu tiež obmedziť fázu kontrakcie svalu. Makrofágy sú stimulované nízkym obsahom kyslíku v ich okolí, aby produkovali faktory, ktoré indukujú a urýchľujú angiogenézu. Vylučovaním týchto faktorov makrofágy prispievajú k tomu, aby sa proces hojenia presunul do ďalšej fázy.

Úloha v homeostáze železa

Erytrocyty majú životnosť 120 dní a tak sú neustále odstraňované makrofágmi v slezine a v pečeni. Makrofágy tiež dokážu pohlcovať makročastice a tak hrajú úlohu vo farmakokinetike parenterálneho železa. Železo uvoľňované z hemoglobínu je buď skladované vo feritíne alebo je uvoľňované do obehu pomocou feroportínu. V prípade zvýšenej hladiny systémového železa alebo v prítomnosti zápalu, zvýšené hladiny hepcidínu pôsobia na feroportínové kanály makrofágov a tak železo zostane vnútri makrofágov.

Úloha v ochrane pigmentu

Melanofágy, podskupina makrofágov vyskytujúcich sa v tkanivách schopných absorbovať pigment, dokážu akumulovať fagocytovaný melanín vo fagozóme podobnom lyzozómu. K tomu dochádza opakovane, pretože pigment z mŕtvych dermálnych makrofágov je pohlcovaný ich nástupcami a to zachováva tetovanie na rovnakom mieste.

Klinický význam

Vďaka fagocytóze sú makrofágy zapojené do mnohých imunologických ochorení. Zúčastňujú sa na tvorbe granulómu, zápalovej lézii, ktorá môže byť spôsobená rôznymi ochoreniami. Boli popísané aj niektoré veľmi vzácne choroby spôsobené poruchou fagocytózy či funkcie makrofágov.

Ako hostiteľ pre intracelulárne patogény

Makrofágy sú zodpovedné za ničenie patogénov. Niektoré patogény sú ale schopné žiť vnútri makrofágov. Takto je patogén skrytý pred imunitným systémom a dochádza k jeho množeniu v tomto prostredí. Tento spôsob chovania využíva tuberkulóza a leishmanióza. Aby sa zamedzilo kolonizácii patogénom, makrofágy si vyvinuli obranné mechanizmy ako je tvorba reaktívnych kyslíkových radikálov a oxidu dusnatého, ktoré sú toxické pre mikróby. Makrofágy dokonca môžu zamedziť mikróbom príjem živín autofágiou. Makrofágy v kĺboch môžu byť infikované Chikungunya vírusom.

Ochorenia srdca

Makrofágy sú prevládajúcim typom buniek spôsobujúcich aterosklerózu. Nárast makrofágov nastáva po infarktu myokardu. Tieto makrofágy sa podieľajú na odstraňovaní apoptických buniek, nečistôt a pripravujú tkanivo k regenerácii.

HIV infekcia

Aj makrofágy môžu byť infikované vírusom HIV rovnako ako T bunky a stávajú sa zásobníkom infekcie v celom tele. HIV môže vstúpiť do makrofágu prostredníctvom spojenia gp120 a CD4 a druhý membránový receptor CCR5 (chemokínový receptor). Aj obehové monocyty môžu slúžiť ako zásobník pre vírus.  Makrofágy dokážu lepšie odolávať infekcii HIV ako CD4 T lymfocyty, ale ich odolnosť sa líši typom makrofágov.

Rakovina

Makrofágy môžu podporovať rast nádorov pomocou inhibície imunitných buniek, stimuláciou angiogenézy a podporou proliferácie. Zápalové mediátory ako je TNF-α, produkované makrofágmi aktivujú signálnu dráhu NF-κB. NF-κB potom vstupuje do jadra nádorovej bunky a zapne produkciu proteínov, ktorá vedie k zastaveniu apoptózy a k podpore proliferácie a zápalu. Makrofágy ďalej slúžia ako zdroj ďalších preangiogénnych faktorov, ktoré podporujú rast nádorov ako sú vaskulárny andoteliárny faktor, TNF-α, makrofágový faktor stimulujúci kolónie, IL-1 a IL-6. Makrofágy infiltrujú mnoho nádorov, napríklad nádor pŕs, močového mechúra, prostaty a maternicového čípku a ich počet je spojený so zlou prognózou. Predpokladá sa, že makrofágy asociované s nádorom získavajú fenotyp M2 a to prispieva k rastu a progresii nádoru. Makrofágy môžu niekedy získať aj protinádorové funkcie. Môžu mať cytotoxickú aktivitu k zabíjaniu nádorových buniek alebo spolupracujú s T lymfocytmi na potlačení nádorov. Táto spolupráca obsahuje priamy kontakt makrofágov s T-lymfocytmi ale aj produkciu cytokínov, ktoré zvyšujú protinádorovú aktivitu T buniek. Vynútením produkcie IFN-α u makrofágov, ktoré sú prítomné v nádore, sa dá zablokovať ich pretumorálna aktivita a taktiež dochádza k efektívnejšej aktivácii dendritových buniek.

Obezita

Zistilo sa, že zvýšený počet prezápalových makrofágov v adipocytoch zhoršujú obezitu a podieľajú sa na rezistencii k inzulínu a k vytvorení diabetu typu 2. U obéznych jedincov adipocity umierajú nekrotickou smrťou, čo spôsobuje fenotypový prechod z makrofágov typu M2 na makrofágy typu M1. To je jedna z príčin nízkeho stupňa systémového chronického zápalového stavu spojeného s obezitou.

Intestinálne makrofágy

Intestinálne makrofágy sú podobné tkanivovým makrofágom, ale majú špecifické funkcie vzhľadom na ich prirodzené prostredie v tráviacom trakte. Tieto makrofágy majú vysokú plasticitu. Intestinálne makrofágy sú diferencované monocyty, ktoré musia koexistovať s mikrobiómom čreva. To je pre nich výzva, pretože baktérie čreva by mohli byť rozpoznané ako potencionálne patogény a spôsobovať fagocytózu. Aby sa tomu zabránilo, vyvinuli intestinálne makrofágy obranné mechanizmy, k čomu patrí aj to, že primárne tieto makrofágy nevyvolávajú zápal a nevylučujú zápalové faktory. Okolité črevné bunky vylučujú do prostredia TGF-β, ktorý indukuje zmenu z prezápalových makrofágov na protizápalové makrofágy. Aj keď intestinálne makrofágy nepôsobia zápalovo, stále môžu účinne fagocytovať patogény, ale ani po fagocytóze neprodukujú zápalové cytokíny. Tieto makrofágy tiež neexprimujú receptory lipopolysacharidov, IgA alebo IgG. Nedostatok LPS receptorov je dôležitý, lebo črevné makrofágy nezistia MAMPS/PAMPS črevnej mikrobióty. Nevykazujú ani receptory rastového faktoru IL-2 a IL-3.
Bolo dokázané, že črevné makrofágy majú dôležitú úlohu v črevných ochoreniach, ako je Crohnova choroba a ulcerózna kolitída. V zdravom čreve pôsobia tieto makrofágy protizápalovo, ale v chorom čreve sa menia ich počty aj rozmanitosť. To vedie k zápalovému črevnému ochoreniu. Intestinálne makrofágy sú zodpovedné za črevnú homeostázu, patogény túto homeostázu menia a menia aj intestinálne makrofágy.