Cellular immune response following head injury

Full Text

Северные и арктические территории в настоящее время находятся под пристальным вниманием мирового сообщества, что требует особого внимания со стороны государства к главной составляющей, обеспечивающей успех в реализации самых грандиозных планов - человеческому ресурсу, который определяется состоянием здоровья людей и долгосрочным прогнозом соответствия здоровья выпол нению профессиональных требований. Проживание человека в дискомфортных условиях Севера приводит к развитию комплекса метаболических особенностей, связанных с воздействием факторов окружающей среды: метаболической недостаточности утилизации продуктов обмена [13]. При любом стрессе иммунные реакции занимают одно из центральных мест. Лимфоциты способны 32 Экология человека 2020.11 Экологическая физиология изменять свои свойства в зависимости от природы действующего на организм экстремального фактора. Важно понимать и учитывать фоновые изменения параметров иммунного гомеостаза с учётом кооперации и координации активности различных фенотипов клеток, служащих предикторами развития вторичных экологически зависимых иммунодефицитов, формирования их клинических проявлений при адаптации человека к меняющимся условиям среды и возможного развития осложнений при патологии [11]. Воздействие неблагоприятных факторов дискомфортной среды Арктического региона включает длительную активацию иммунной системы: первоначально уменьшается активность Т-клеток, в дальнейшем формируется стойкое снижение содержания в крови зрелых Т-лимфоцитов, возникает дисбаланс соотношений иммунокомпетнтных клеток, компенсируемых увеличением количества общего пула циркулирующих лимфопролиферирующих лимфоцитов, активизацией интенсивности фагоцитоза. Известно, что хроническое течение воспалительных процессов на Севере очень распространено. С возрастом сокращаются резервные возможности сохранения здоровья, снижаются устойчивость и сопротивляемость организма, формируются предпосылки для преждевременного старения. На Севере иммунореактивность характеризуется короткими периодами антителообразования и снижением иммунного ответа [1, 2, 10]. Влияние социальных и экологических факторов внешней среды накладывает отпечаток на показатели здоровья мужчин на Севере, в частности на формирование адаптивного иммунного ответа. Иммунная система является индикатором адаптационных реакций организма, отражающих степень напряжения в ответ на любое стрессорное воздействие среды. Кроме того, обследуемая группа пострадавших с ЧМТ мужчин-северян 41-60 лет характеризуется длительным воздействием стрессорных факторов, таких как систематический приём алкоголя, наличием соматической патологии. Всё это создаёт фон для срыва компенсаторно-адаптационных механизмов иммунного гомеостаза при ЧМТ. Инвалидизация при ЧМТ обусловлена как первичным поражением головного мозга, так и формированием в отдаленном периоде и периоде последствий новых клинических синдромов по механизмам дизрегуляции и снижения адаптационных резервов [4]. Однако до настоящего времени не проведены исследования, оценивающие связь адаптивных иммунных реакций с клинической картиной течения травматической болезни головного мозга. Таким образом, изучение особенностей иммунологической реактивности при ЧМТ является актуальной задачей современной иммунофизиологии, патофизиологии, нейрохирургии и др. Реакции адаптивного иммунитета и эксквизитные иммунные реакции в первые сутки после травмы представляют собой класс защитно-приспособительных явлений, которые развиваются только в экстремальных условиях, являются ответом на повреждение и не могут компенсировать неврологический ущерб. Травматические повреждения головного мозга представляют одну из наиболее актуальных форм неврологической патологии. Эпидемиологические исследования указывают на неуклонный рост числа ЧМТ, особенно в больших городах. В Российской Федерации (РФ) ЧМТ встречается с частотой 130-400 на 100 тысяч жителей [3, 6, 12]. У 45-72 % (в зависимости от степени тяжести травмы) пострадавших в дальнейшем развивается осложнение. Черепно-мозговые травмы имеют важное социальное значение, как правило, их получают мужчины трудоспособного возраста (20 - 60 лет), представители экстремальных профессий (например, оленеводы, вахтовики Арктического региона и другие). Общее количество инвалидов после перенесенной тяжёлой ЧМТ достигает 57,8-85,5 % от всех пострадавших [5, 14, 16]. Вопрос об адаптивном иммунном ответе у пострадавших с ЧМТ в первые сутки с момента получения травмы остаётся открытым. Выяснение характера адаптивного иммунного ответа у таких пострадавших необходимо для своевременного выявления лиц с напряжением иммунной регуляции, прогноза и профилактики осложнений в посттравматическом периоде. На данный момент среди исследовательских работ по ЧМТ иммунологическая составляющая представлена в основном иммуноглобулинами и цитокинами. Цель исследования - выявление клеточных иммунных реакций в первые сутки с момента получения черепно-мозговой травмы у мужчин старше 40 лет. Методы На базе Первой городской клинической больницы им. Е. Волосевич г. Архангельска обследованы 90 мужчин в возрасте 41-60 лет с ЧМТ в первые сутки с момента получения травмы (40 человек с ЧМТ легкой степени, 30 - с ЧМТ средней степени тяжести, 20 - с тяжелой ЧМТ). Диагноз выставлялся согласно стандартам диагностики и лечения ЧМТ, утверждённым на XXXXIII пленуме Правления Ассоциации нейрохирургов России, г. Санкт-Петербург, 15 апреля 2016 г.. Комплекс иммунологического обследования людей включал изучение содержания в периферической крови лейкоцитов, лимфоцитов и их фенотипов (CD3+, CD4+, CD5+, CD8+, CD10+, CD16+, CD25+, CD71 + , HLA-DR+, CD95+). Кровь для исследования брали из локтевой вены в объеме 6 мл при госпитализации. Процентное содержание субпопуляций Т-лимфоцитов определяли методом непрямой иммунопероксидазной реакции с использованием моноклональных антител («МедБиоСпектр», г. Москва) на препаратах лимфоцитов типа «высушенная капля», подсчет проводили на микроскопе Nicon Eclipse 50i. Результаты исследования обработаны статистически с определением средних величин и представлены как средняя арифметическая ± ошибка средней (М ± m). Статистическая достоверность присваивалась при значении p < 0,05. Использовался пакет компьютерной программы Statistica 6.0. Работа выполнена в 33 Экологическая физиология Экология человека 2020.11 лаборатории физиологии иммунокомпетентных клеток Института физиологии природных адаптаций ФГБУН ФИЦКИА УрО РАН в соответствии с направлением 65.12 программы фундаментальных исследований государственных академий наук на 2013 - 2020 гг. - применение интегративного подхода в анализе молекулярных процессов и их регуляции у живых существ при адаптации организма человека и животных к меняющимся условиям среды обитания; использование полученных результатов в медицине, номер Государственного задания АААА-А15-П5122810184-6 (с 09.12.2019 номер государственной регистрации АААА-А15-1 151 122810184-6 изменён на АААА-А19-119120990059-4), с учетом критических технологий РФ согласно Указу Президента РФ от 07.07.201 1 № 899 - технологии снижения потерь от социально значимых заболеваний. Выбор территорий, на которых проводятся исследования, обусловлен значимостью территорий, входящих в перечень сухопутных территорий Арктической зоны РФ согласно Указу Президента РФ от 02.05 2014 г. - г. Архангельск, Приморский муниципальный район (Архангельская область), Ненецкий автономный округ, Кольский полуостров Мурманской области, Ямало-Ненецкий автономный округ. Результаты Средние уровни содержания клеток CD3+ крайне низки и равняются при лёгкой травме (0,55 ± 0,01) •109 кл/л; при ЧМТ средней степени тяжести (0,19 ± 0,04) -109 кл/л, а при тяжелой ЧМТ (0,64 ± 0,06) •109 кл/л. При исследовании Т-популяции CD5+ выявлен выраженный дефицит их содержания со средней концентрацией в периферической крови у лиц с лёгкой степенью тяжести ЧМТ - (0,68 ± 0,02) •109 и тяжелой ЧМТ - (0,69 ± 0,02) -109 кл/л соответственно, а при ЧМТ средней степени тяжести зафиксированы наименьшие показатели - (0,21 ± 0,01) -109 кл/л (табл. 1). При лёгкой ЧМТ средний показатель Т-хелперов определяется как (0,74 ± 0,01) • 109 и находится ближе к верхней границе нормальных физиологических значений, при этом концентрация клеток CD8+ составляет (0,64 ± 0,04) • 109 кл/л, что в 1,5 раза превышает норму. В случаях с тяжёлой ЧМТ указанная особенность сохраняется: параметры CD4+ составляют нормальные значения (0,76 ± 0,01) -109 кл/л, показатель CD8+ превышает верхнюю границу нормы и достигает (0,76 ± 0,01) -109 кл/л. Низкий уровень иммунорегуляторного коэффициента достигается за счёт высоких цифр цитотоксической активности. Для ЧМТ средней степени тяжести наблюдается противоположная картина: показатель CD4+ равняется (0,24 ± 0,02) -109 кл/л, что в два раза ниже нормы, а уровень супрессорной активности составляет (0,03 ± 0,01) -109 кл/л, то есть ниже физиологической нормы в 6,7 раза, что способствует развитию вторичных экологически зависимых иммунных дисбалансов и может провоцировать риск посттравматического осложнения. Таблица 1 Средние данные показателей иммунного статуса у жителей Архангельска с черепно-мозговой травмой в возрасте 41-60 лет (M ± m) Показатель, •109 кл/л ЧМТ лёгкой степени (n = 40) ЧМТ средней степени (n = 30) ЧМТ тяжёлой степени (n = 20) CD3+ 0,55±0,01 0,19±0,04 0,64±0,06 CD4+ 0,74 + 0,01 0,24±0,02 0,76±0,01 CD5+ 0,68+0,02 0,21±0,01 0,69±0,02 CD8+ 0,64±0,04 0,03±0,01 0,76±0,01 CD10+ 0,58±0,06 0,21±0,01 0,68±0,02 CD16+ 0,48±0,01 0,22±0,02 0,36±0,05 CD25+ 0,55±0,02 0,23±0,03 0,47±0,03 CD71 + 0,49±0,03 0,24± 0,01 0,51 ±0,04 CD95+ 0,51±0,02 0,23±0,02 0,56±0,01 HLA-DR+ 0,50±0,02 0,26±0,02 0,47±0,06 При этом у пожилых лиц со средней степенью тяжести травмы хелперно-супрессорное (CD4/CD8) соотношение резко возрастает до 8, что превышает норму в 4 раза. Стоит отметить, что высокий иммунорегуляторный коэффициент в группе мужчин 41-60 лет с ЧМТ средней степени тяжести обусловлен резко сниженной супрессорной активностью, при этом именно у лиц со средней степенью тяжести ЧМТ и хелперно-супрессорным коэффициентом 8 отмечено наибольшее количество посттравматических осложнений, (см. табл. 1). При определении содержания лимфоцитов с рецепторами CD10+ среди пострадавших с лёгкой степенью ЧМТ мужчин 41-60 лет отмечены значения (0,58 ± 0,06) • 109 кл/л и ЧМТ средней степени тяжести значения (0,21 ± 0,01) -109 кл/л, что входит в рамки общепринятых физиологических норм, а при ЧМТ тяжёлой степени этот показатель превышает норму и составляет (0,68 ± 0,02) -109 кл/л. Содержание нормальных киллеров CD 16+ при ЧМТ лёгкой степени составляет (0,48 ± 0,01) •109 кл/л, при ЧМТ средней степени тяжести этот показатель достигает минимальных значений - (0,22 ± 0,02) -109 кл/л и повышается при тяжелой ЧМТ до (0,36 ± 0,05) -109 кл/л. Концентрации клеток с маркером CD25+ при лёгкой ЧМТ определяются в нормальных физиологических пределах (0,55 ± 0,02) • 109 кл/л. Однако с утяжелением травмы их содержание снижается и для ЧМТ средней степени тяжести составляет (0,23 ± 0,03) -109 кл/л, а при тяжёлой ЧМТ - (0,47 ± 0,03) -109 кл/л. Концентрации клеток с рецептором к трансферрину (CD71 + ) при лёгкой ЧМТ и ЧМТ средней степени тяжести ниже общепринятых физиологических значений: (0,49 ± 0,03) и (0,24 ± 0,01) -109 кл/л; при тяжёлой степени ЧМТ - (0,51 ± 0,04) • 109 кл/л. Количество клеток, отвечающих за процессы апоптоза (CD95+), составляет (0,51 ± 0,02) и (0,56 ± 0,01) •109 кл/л соответственно у лёгких и тяжёлых больных. При ЧМТ средней степени тяжести зарегистрированы снижения данного показателя ниже нормы - (0,23 ± 0,02) -109 кл/л (см. табл. 1). 34 Экология человека 2020.11 Экологическая физиология Концентрация антигенов гистосовместимости II класса HLA-DR+ у 60,0 % лиц с лёгкой степенью ЧМТ находится на нижней границе общепринятой нормы - (0,50 ± 0,02) -109 кл/л. Его минимальные значения зафиксированы (0,26 ± 0,02) • 109 кл/л (100,0 % при средней степени) и (0,47 ± 0,06) •109 кл/л в группе мужчин с тяжелой ЧМТ (62,5 % случаев). Обсуждение результатов Представляло интерес оценить уровень иммунологических дисбалансов и частоту их встречаемости среди обследуемого контингента. Анализ показал, что уровни лейкоцитов возрастают прямо пропорционально тяжести травмы, что, возможно, связано с развитием гнойно-септических осложнений, таких как пневмония, гнойный трахеобронхит и прочее. Для пострадавших с ЧМТ в возрасте 41-60 лет характерна активизация Т-клеточного звена иммунитета, так, в наших исследованиях выявлено повышение уровня зрелых Т-лимфоцитов пропорционально тяжести травмы, и частота повышенных значений CD3+ составила при лёгкой ЧМТ 11,1 %, а при тяжелой достигает 37,5 %, (табл. 2). Кроме того, в группе мужчин 41-60 лет с ЧМТ средней степени тяжести ушиб головного мозга в 82,0 % случаев осложнился листовидной субдуральной и эпидуральной гематомой и травматическим субарахноидальным кровоизлиянием, то есть скоплением крови в межоболочечном пространстве. Среди этих 82,0 % пострадавших у 76,0 % диагностирована посттравматическая энцефалопатия 2-й степени, что значительно снижало качество жизни и требовало длительного амбулаторного лечения. У 12,0 % энцефалопатия сопровождалась выраженным мнестико-интеллектуальным снижением, и эти больные нуждались в уходе. При лёгкой ЧМТ в данной группе осложнения зафиксированы в 2,0 % случаев и выражались субкомпенсацией энцефалопатии смешанного генеза [7, 9]. Обращает на себя внимание тот факт, что среди популяции Т-хелперов чаще регистрируются дисбалансы в сторону снижения показателя. При лёгкой ЧМТ уровень Т-клеток CD4+ уменьшается в 11,1 % случаев, при ЧМТ средней степени в 75,0 %, а при тяжёлой травме мозга в 50,0 %. Повышенные значения CD4+ зарегистрированы в 22,2 % случаев при ЧМТ лёгкой степени, при ЧМТ средней степени тяжести повышенных значений не выявлено, при тяжелой ЧМТ повышения уровня CD4+ отмечены в 37,5 % случаев. При этом дисбалансы цитотоксических клеток CD8+ регистрируются только в сторону увеличения: при лёгкой и тяжёлой ЧМТ повышенные значения встречаются в 50,0 % случаев, при ЧМТ средней степени тяжести повышенных значений не зарегистрировано (см. табл. 2). Таким образом, в соотношении CD4+/ CD8+ определяется явный сдвиг в сторону цитотоксических клеток. Из литературы известно, что цитотоксические Т-лимфоциты, экспрессирующие рецептор CD8+, а также натуральные киллеры, осуществляют Таблица 2 Частота регистрации дисбалансов иммунологических параметров у жителей Архангельска с черепно-мозговой травмой в возрасте 41-60 лет, % Показатель, -109 кл/л ЧМТ лёгкой степени (n = 40) ЧМТ средней степени (n = 30) ЧМТ тяжёлой степени (n = 20) CD3+ > 1,5 11,1 Нет 37,5 CD4+ < 0,4 11,1 75,0 50,0 CD4+ > 0,8 22,2 Нет 37,5 CD5+ < 1,5 100,0 100,0 100,0 CD8+ > 0,4 50,0 Нет 50,0 CD10+ > 0,5 20,0 Нет 37,5 CD16+ > 0,5 30,0 20,0 37,5 CD71 + < 0,8 36,4 100,0 62,5 CD95+ > 0,5 40,0 Нет Нет HLA-DR+ < 0,80 60,0 100,0 62,5 HLA-DR+ > 0,80 12,0 Нет 12,5 CD25+ < 0,5 40,0 80,0 62,5 защиту организма от патогенных микроорганизмов и трансформированных опухолевых клеток путем непосредственного контакта с клеткой-мишенью. В случае отсутствия на мембране клетки-мишени «своих», присущих данному организму молекул МНС I класса запускается механизм цитолиза. Данный механизм включает образование в месте контактного взаимодействия отграниченной синаптической зоны, куда клетки-эффекторы высвобождают гранулы с перфори-ном. Перфорин в присутствии Ca2+ полимеризуется и делает в мембране клетки-мишени поры, через которые внутрь цитоплазмы поступает белок гранзим. Именно гранзим вызывает ферментативный клеточный лизис мишени путем активизации распада её ДНК на фрагменты [15]. Результаты исследования показали, что выявление хелперно-супрессорного коэффициента ниже единицы (<1) в первые сутки после получения ЧМТ у обследованных лиц мужского пола в возрасте 41-60 лет косвенно свидетельствует о возможном развитии посттравматической церебральной патологии, влияющей в дальнейшем на качество жизни. Для уровня клеток CD16+ пониженных значений не выявлено, а повышенные значения выявлены в 30,0 % случаев при лёгкой ЧМТ, в 37,5 % при тяжёлой ЧМТ, при травме средней степени тяжести - у 20,0 % пострадавших (см. табл. 2). Следует отметить, что наряду с общим механизмом поражающего действия у цитотоксических клеток есть и свои отличия. Так, натуральные киллеры относятся к клеткам врожденного иммунитета, и в их развитии в отличие от Т-лимфоцитов не требуется участия тимуса (лишь микроокружение костного мозга). Вместо антигенраспознающего Т-клеточного рецептора на поверхностной мембране NK клеток локализуются молекулы CD16+ и CD56+. Последняя представляет собой гомофильную адгезивную молекулу из семейства молекул адгезии клеток нервной системы (N-CAM) суперсемейства иммуноглобулинов. Рецептор CD16+ (FcIIIR), в свою очередь, выполняет функцию низкоафинного рецептора для Fc-фрагмента IgG. Цитотоксические Т-лимфоциты распознают клетки-ми 35 Экологическая физиология Экология человека 2020.11 шени за счет молекулы CD8 (LT8, ICO-31), имеющей принадлежность к суперсемейству иммуноглобулинов. Распознавание осуществляется строго специфически, то есть под действием цитотоксических лимфоцитов гибнут только клетки, несущие определенный антиген. Для этого Т-лимфоцитам приходится увеличивать свою популяцию путем пролиферации и последующей дифференцировки. Для NK клеток цитолитическая активность неспецифична и может реализовываться в отношении различных антигенов [8]. Учитывая вышесказанное, следует предположить, что основная регуляторная роль адаптивного иммунного ответа на фоне крайне низких концентраций клеток-активаторов у пожилых пострадавших принадлежит именно клеточно-опосредованной цитотоксичности и является неэффективной, более того, усугубляет состояние и посттравматические последствия. Пониженные значения клеток с рецепторами СD25+ определяются у 40,0 % пострадавших с лёгкой ЧМТ, при средней тяжести ЧМТ пониженные значения достигают 80,0 %, при тяжелой ЧМТ - 62,5 %. Повышенных значений лимфоидных клеток CD71 + в наших исследованиях среди пострадавших с ЧМТ 41-60 лет выявлено не было, снижение показателя регистрируется в 36,4 % случаев при лёгкой травме, при тяжёлой травме мозга в 62,5 %, при ЧМТ средней степени тяжести достигает 100 %. Известно, что трансферрин-гликопротеин выполняет железосвязывающую физиологическую функцию в организме, установлено, что трансферрин стимулирует не только лимфопролиферацию, но и дифференцировку Т-лимфоцитов [2]. Следовательно, для всех пострадавших с ЧМТ 41-60 лет характерна выраженная некомпенсируемая тканевая гипоксия, что, вероятно, требует дополнительной коррекции медикаментозного лечения с целью профилактики посттравматических осложнений. Активность апоптоза (CD95+) выявлена в 40,0 % случаев исключительно при ЧМТ лёгкой степени, при тяжёлой и средней травме мозга повышения значений указанного показателя не установлено. Низкие уровни концентрации клеток с рецепторами к антигену гистосовместимости II класса (HLA-DR) у пострадавших северян выявлены в 60,0 и 62,5 % случаев соответственно при лёгкой и тяжёлой ЧМТ. При средней тяжести ЧМТ пониженные значения выявлены в 100 % случаев. Повышенные значения данного показателя определены у 12,0 % лиц с лёгкой и у 12,5 % пострадавших с тяжелой травмой. Вывод Установлено, что при ЧМТ средней тяжести в течение первых суток с момента её получения у пострадавших старшей возрастной группы северян регистрируются низкие значения уровня концентраций клеток-активаторов (CD25+, CD71+, HLA-DR+): (0,23 ± 0,03); (0,24 ± 0,01); (0,26 ± 0,02) -109 кл/л соответственно; компенсаторным механизмом фонового дефицита Т-клеточной популяции (CD5+), зрелой ее субпопуляции (CD3+), дефицита клеток с рецепторами к интерлейкину-2 (CD25+), трансферрину (CD71 + ) и клеток с рецепторами к антигенам гистосовместимости II класса (HLA-DR+) у 75,0 % обследуемых лиц указанной группы является 8-кратное увеличения хелперно-супрессорного коэффициента (k > 2) за счет Т-хелперов (0,24+0,02)-(0,03+0,01) • 109 кл/л, что может служить благоприятным прогнозом исхода травмы. Определено, что при тяжелой ЧМТ снижение хелперно-супрессорного (CD4+/CD8+) коэффициента (k < 2) на фоне выраженного Т-клеточного дефицита (CD5+, CD3+) обеспечивается повышенным уровнем содержания цитотоксических лимфоцитов (CD8+, CD16+): (0,76 + 0,01) -109 кл/л. Выявлен механизм компенсации выраженного дефицита всей Т-клеточной популяции (CD5+) и зрелой ее субпопуляции (CD3+) у тяжёлых пострадавших путем повышения уровня Т-клеток CD8+ в 50,0 % случаев и Т-клеток CD16+ в 37,5 % случаев. Повышение значений цитотоксической активности в первые сутки после получения травмы косвенно свидетельствует о неблагоприятном прогнозе исхода травмы, что требует дальнейшего исследования. Выраженная иммуносупрессия создаёт напряжение в системе иммунитета, подобная адаптивная приспособительная реакция в дальнейшем способствует сокращению резервных возможностей иммунного гомеостаза у пострадавших, формированию вторичного экологически зависимого иммунодефицита, проявляющегося развитием посттравматических последствий. Авторство Поповская Е. В. внесла существенный вклад в концепцию и дизайн исследования, получение, анализ и интерпретацию данных; Шашкова Е. Ю. внесла вклад в разработку концепции статьи, в подготовку первого ее варианта; Щёголева Л. С. участвовала в анализе и интерпретации данных, утверждении рукописи; Филиппова О. Е. принимала участие в получении и анализе данных. Авторы подтверждают отсутствие конфликта интересов.

About the authors

E. V. Popovskaya

N. Laverov Federal Center for Integrated Arctic Research of the Russian Academy of Sciences

Arkhangelsk, Russia

O. E. Filippova

N. Laverov Federal Center for Integrated Arctic Research of the Russian Academy of Sciences

Arkhangelsk, Russia

E. Yu. Shashkova

N. Laverov Federal Center for Integrated Arctic Research of the Russian Academy of Sciences

Arkhangelsk, Russia

L. S. Shchegoleva

N. Laverov Federal Center for Integrated Arctic Research of the Russian Academy of Sciences

Email: shchegoleva60@mail.ru
Arkhangelsk, Russia

References

Supplementary files