МАКРОФАГИ ГОЛОВНОГО МОЗГА И МИКРОГЛИЯ, КАК ОСНОВНЫЕ КЛЕТКИ РЕПЛИКАЦИИ ВИЧ-1 В ЦНС

BRAIN MACROPHAGES AND MICROGLIA AS MAIN CELLS OF HIV-1 REPLICATION IN THE CNS

Nikita Suslov

fourth year student of medical faculty Perm State Medical University named by ac. E.A. Wagner,

Russia, Perm

АННОТАЦИЯ

Данная работа выполнена с целью анализа современного представления о поражении макрофагов и микроглии головного мозга при ВИЧ-1 инфекции. На достаточном уровне была изучена доступная литература по данной проблеме. Проанализированы возможные причины поражения данных клеток и особенности иммунопатогенеза.

ABSTRACT

This work was carried out with the aim of analyzing the current understanding of macrophage and cerebral microglia lesions in HIV-1 infections. Available literature on this problem has been studied at a sufficient level. The possible causes of the defeat of these cells and the features of immunopathogenesis are analyzed.

Ключевые слова: ВИЧ, ВИЧ-1, ЦНС, микроглия, макрофаги.

Keywords: HIV, HIV-1, CNS, microglia, macrophages.

Актуальность. ВИЧ-инфекция относится к числу наиболее распространенных и опасных вирусных инфекций человека. Среди наиболее актуальных проблем, связанных с этим заболеванием, важнейшее место занимают поражения центральной нервной системы (ЦНС), которые стоят на втором месте после поражения CD4+ T-лимфоцитов. Особенностью эпидемии ВИЧ-инфекции в настоящее время является большое количество коморбидных и тяжелых форм заболевания, с частым вовлечением в патологический процесс головного мозга, причины могут быть обусловлены непосредственным поражением мозговой ткани вирусом иммунодефицита человека; связью повреждений головного мозга с цитокинами, вырабатываемыми инфицированными периваскулярными макрофагами; воздействием возбудителей ряда вторичных инфекций; новообразованиям, связанным с ВИЧ-инфекцией [1, 2].

Комбинированная антиретровирусная терапия (кАРТ) позволяет успешно бороться с самым смертельным последствием ВИЧ-инфекции – СПИДом. Тем не менее, ВИЧ попадает в центральную нервную систему очень рано после инфицирования и начинает вызывать ассоциированные с ВИЧ-инфекцией нейрокогнитивные расстройства (ВАНР), встречающиеся примерно у 30-50% пациентов после кАРТ [3, 6]. Пациенты, получающие комбинированную антиретровирусную терапию, живут дольше, но есть всё больше свидетельств того, что стареющая ВИЧ-инфицированная популяция может страдать от раннего начала нейрокогнитивного дефицита [13].

На периферии ВИЧ в основном реплицируется в CD4+ T-лимфоцитах, однако макрофаги являются основными мишенями для репликации вируса иммунодефицита человека в ЦНС [8].

Цель работы: проанализировать современное представление о поражении макрофагов и микроглии головного мозга при ВИЧ-1 инфекции.

Материалы и методы: Изучены литературные источники по проблеме поражений головного мозга при ВИЧ-инфекции. Проанализированы возможные причины поражения данных клеток и особенности иммунопатогенеза.

Проведена выборка и анализ 13 статей, в том числе 11 зарубежных, посвященных данной проблеме.

Результаты исследований. Kelly A. Meulandyke, Joshua D. Croteau и M. Christine Zink представили возможный механизм репликации ВИЧ-1 внутри клеток хозяина (рис. 1).

Рисунок 1. Механизм репликации ВИЧ-1 внутри клеток хозяина [9]

Оказавшись внутри клетки хозяина, многие факторы могут модифицировать репликацию вируса. Провоспалительные состояния усиливают репликацию ВИЧ в большинстве типов клеток. Хемокиновый (C-X-C) лиганд 8 (CXCL8, интерлейкин-8), продуцируется большинством типов клеток в мозге, усиливает репликацию ВИЧ в макрофагах и Т-клетках, и повышается в спинномозговой жидкости у пациентов с ВИЧ-ассоциированной деменцией по сравнению с нейрокогнитивно-нормальными ВИЧ-инфицированными пациентами. Мамик и Гхорпад расширили эти исследования и обнаружили, что CXCL8 увеличивал образование 2-длинных концевых повторов (2-LTR) кругов, маркера ядерного импорта вирусной ДНК или повышенной инфекционности в макрофагах и первичной микроглии, и что усиленная репликация зависела от ядерного фактора NF-κB.

МикроРНК также недавно привлекли внимание как модуляторы репликации ВИЧ. Они являются небольшими, примерно 22 нуклеотидными РНК, которые ингибируют трансляцию матричной РНК-мишеней (мРНК), обычно через привязку к 3’ UTR (3’-untranslated region, 3’-нетранслирующий регион) (рис. 2).

Рисунок 2. Строение типичной белоккодирующей человеческой мРНК

МикроРНК могут регулировать жизненный цикл ВИЧ путем непосредственного связывания и ингибирования трансляции вирусной мРНК или путём ингибирования трансляции белков, участвующих в любой стадии жизненного цикла ВИЧ. [4, 5, 11, 12].

В центральной нервной системе клетки линии макрофагов являются основными продуцентами вируса, тогда как астроциты, вероятно, поддерживают только ограниченную репликацию вируса. Наличие полного понимания проникновения вируса в эти клетки и эволюции вирусного тропизма на разных стадиях заболевания имеет важные последствия для лечения и может влиять на прогрессирование заболевания периферической нервной системы и ЦНС [9].

Репликация ВИЧ-1 в центральной нервной системе, как правило, ограничена доступностью клеток-мишеней. Варианты ВИЧ-1, которые передаются и доминируют на ранних стадиях инфекции используют почти исключительно корецептор CCR5, далее они адаптируются для проникновения и таким образом заражают клетки, экспрессирующие высокую плотность CD4, схожие с найденными на CD4+ T- клетках. В то время как «иммунная привилегия» центральной нервной системы в значительной степени лишена CD4+ T-лимфоцитов, макрофаги и микроглия находятся повсюду в ЦНС. Эти клетки экспрессируют молекулы CD4, которых слишком мало для эффективного проникновения или устойчивой репликации большинством ВИЧ-1 изолятов. Исследования вирусных популяций ЦНС показало, что при поздних стадиях заболевания центральная нервная система некоторых пациентов содержала варианты ВИЧ-1, которые развили способность проникать в клетки, экспрессирующие небольшое количество CD4 молекул и хорошо приспособились к проникновению в макрофаги. Эти макрофаго- тропные (М- тропные) вирусы способны поддерживать стабильную репликацию в ЦНС на протяжении многих поколений и их присутствие ассоциировано с тяжелыми нейрокогнитивными нарушениями.

Центральная нервная система содержит три группы CD4+ клеток иммунной системы, которые вероятнее всего инфицируются ВИЧ-1: CD4+ Т- лимфоциты, макрофаги и микроглия. ЦНС также содержит CD4- астроциты, предположительно инфицированные ВИЧ. В отличии от CD4-опосредованного инфицирования Т-лимфоцитов, макрофагов и микроглии, инфицирование астроцитов требует CD4-независимого пути. Далее мы рассмотрим доказательства что ВИЧ-1 инфицирует эти клетки в организме [8]:

CD4+ T-клетки. В целом, CD4+ T-лимфоциты наиболее частые ВИЧ-инфицированные клетки в организме и главные мишени для ВИЧ-1 инфекции в ЦНС. Цереброспинальная жидкость здорового человека содержит приблизительно до 300,000 CD4+ T-клеток в общем объёме около 150 мл, большинство из которых активированные центральные Т-клетки памяти. Учитывая, что CD4+ T-лимфоциты памяти первичные мишени для ВИЧ-1, популяция Т-клеток в цереброспинальной жидкости высоко восприимчива к инфицированию ВИЧ-1.

Прямое обнаружение ВИЧ-инфицированных CD4+ T-клеток в центральной нервной системе является сложным, так как основная масса CD4+ T-лимфоцитов находится в спинномозговой жидкости, где они представлены в низкой концентрации. По аналогии, концентрация CD4+ T- клеток в паренхиме мозга тоже очень низка. Таким образом, обнаружение ВИЧ-инфицированных CD4+ T-клеток в центральной нервной системе требует меньше прямых методов обнаружения, таких как оценка репликации вируса в ЦНС, который адаптирован для проникновения в Т- клетки, но не адаптирован для проникновения в макрофаги или микроглию.

Микроглия. Исследования микроглии и макрофагов в ЦНС показало, что они часто инфицируются ВИЧ-1, несмотря на то, что они экспрессируют низкие уровни CD4, которые значительно ниже экспрессии на CD4+ T-клетках в крови. Оценка относительной восприимчивости этих двух типов миелоидных клеток к ВИЧ-1 инфекции осложняется тем фактором, что они экспрессируют множество одинаковых поверхностных маркеров. До активации эти два типа клеток легко различаются морфологически, но активация инфекцией, травмой и т.д. заставляет микроглию принимать макрофаго-подобные характеристики. Есть несколько отличий микроглии и макрофагов:

1. Несмотря на это сходство, глюкозный транспортер 5 типа (ГЛЮТ-5) экспрессируется на покоящейся и активированной микроглии, но не на макрофагах, и используется для окраски микроглии в здоровом и поврежденном головном мозге.
2. Антитела к маннозным рецепторам окрашивают макрофагов, но не микроглию в воспаленном и нормальном человеческом и мышином мозгах. Учитывая, насколько сложно отличить эти клетки по морфологии и/или иммуногистохимии, их часто идентифицируют на основании их локализации в ЦНС.

Микроглия – это резидентные макрофаги в центральной нервной системе. Только эти миелоидные клетки располагаются в паренхиме ЦНС, и они представлены 5-20% зрелых клеток мозга. В неактивированном состоянии или состоянии покоя поверхность микроглии выстлана множеством разветвленных отростков, которые непрерывно «обследуют» мозг, но при активации они переходят в амебоидный, макрофаго-подобный вид. Микроглия имеет много общих функций с макрофагами – фагоцитоз и презентацию антигенов, но они выполняют также защитные функции, которые способствуют нормальному функционированию и развитию мозга.

Показано, что ВИЧ-1 инфицирует микроглию как in vivo, так и in vitro. При вскрытии инфицированная микроглия может быть идентифицирована путем маркировки мозговой ткани РНК и/или белка ВИЧ-1. Тем не менее, эти анализы, как правило, проводятся на пациентах, которые умерли от тяжелых нейрокогнитивных нарушений, и ВИЧ-1 инфекция микроглии может быть менее распространенной на ранних стадиях заболевания. Вместе эти исследования предоставляют убедительные доказательства того, что микроглия восприимчива к ВИЧ-1 инфекции, но так же мало информации о частоте возникновения микроглиальной инфекции у субъектов, которые не имеют тяжелых нейрокогнитивных нарушений.

Периваскулярные, менингеальные макрофаги и макрофаги сосудистого сплетения. Есть три типа макрофагов центральной нервной системы, которые локализуются за пределами паренхимы головного мозга: периваскулярные макрофаги, макрофаги сосудистого сплетения и менингеальные макрофаги. Эти макрофаги, происходящие из костного мозга, получили своё название в зависимости от структуры, где они локализуются.

1. Периваскулярные макрофаги находятся в периваскулярном (Вирхова-Робина) пространстве сосудов головного мозга и, вероятно, будут подвергаться воздействию ВИЧ-1, который пересекает гематоэнцефалический барьер (ГЭБ).
2. Макрофаги сосудистого сплетения локализуются в строме сосудистого сплетения на периферии гематоликворного барьера. Таким образом, макрофаги сосудистого сплетения, вероятно, будут подвергаться воздействию ВИЧ-1 в крови, используемой для спинномозговой жидкости.
3. Менингеальные макрофаги будут подвергаться воздействию ВИЧ-1, который достигнет цереброспинальной жидкости.

Большинство того, что мы сейчас знаем о восприимчивости макрофагов центральной нервной системы к ВИЧ-1, основано на иммуногистохимии ткани мозга при аутопсии, которая чаще всего выявляет инфицированность периваскулярных макрофагов. Их локализация в периваскулярном пространстве сосудов головного мозга может увеличивать их подверженность ВИЧ-1 и увеличивать их уровень заражаемости, чем микроглии, как у людей с ВИЧ-ассоциированной деменцией и макак, инфицированных SIV. Также есть некоторые свидетельства обнаружения ВИЧ-инфекции в мозговых оболочках, хоть она часто локализуется в периваскулярной области, что позволяет предположить, что периваскулярные макрофаги инфицируются чаще, чем другие менингеальные клетки. Два исследования обнаружили что у 50% ВИЧ-позитивных людей были инфицированы макрофаги сосудистого сплетения, но в другом исследовании не нашли инфицированных макрофагов в нем. Joseph et al. [7], Schnell et al. [10] увидели, что некоторые ВИЧ-1 белки Env, происходящие в ЦНС, могут проникать в макрофаги, происходящие из моноцитов. По итогу, эти данные свидетельствуют о том, что ВИЧ-1 инфицирует различные типы макрофагов ЦНС in vivo, и что ВИЧ-1 может адаптироваться к репликации в этих клетках.

Астроциты. Астроциты являются наиболее распространенным типом клеток в головном мозге, и они экспрессируют либо малое количество CD4, либо не экспрессируют его вообще; также нет очевидных функциональных причин для того, чтобы этот тип клеток экспрессировал CD4. Тем не менее, несколько групп исследователей обнаружили наличие вирусной ДНК в астроцитах, особенно при аутопсии у ВИЧ-инфицированных пациентов с неврологическими заболеваниями. Эти первоначальные наблюдения были подтверждены в последующих исследованиях, которые показали, что в некоторых областях мозга до 10-20% астроцитов имеют вирусную ДНК, хотя при непродуктивной инфекции. Эти наблюдения представили собой проблему, так как вирус требует наличия CD4 для проникновения, в том числе М-тропные варианты.

Выводы. При литературном анализе проблемы поражений головного мозга было выявлено, что поражения головного мозга являются одной из лидирующих причин смертности ВИЧ-инфицированных больных [1]. Существует множество нерешенных проблем, касательно взаимодействия ВИЧ-1 инфекции с макрофагами и микроглией центральной нервной системы. Удивительно, но после 30 лет интенсивного изучения жизненного цикла ВИЧ мы все еще открываем новые грани этого процесса, особенно в клетках линии макрофагов, которые подчеркивают сложность адаптации этого вируса к защите клеток-хозяев. Эти новые данные подчеркивают важность врожденных защитных механизмов и основных гомеостатических механизмов для контроля вируса в ЦНС, где адаптивные иммунные механизмы неадекватны. Манипуляции с процессом аутофагии привлекательны в качестве потенциальной терапевтической мишени, но этот сложный механизм требует дальнейшего изучения [9].

Список литературы:

1. Азовцева О.В., Викторова Е.А., Мурочкин В.В., Шеломов А.С., Бакулина Е.Г., Вебер В.Р. КЛИНИКО-ПАТОМОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЯВЛЕНИЯ ПОРАЖЕНИЯ ГОЛОВНОГО МОЗГА ПРИ ВИЧ-ИНФЕКЦИИ.ВИЧ-инфекция и иммуносупрессии. 2019;11(3):37-48. https://doi.org/10.22328/2077-9828-2019-11-3-37-48
2. Цинзерлинг В.А. ПОРАЖЕНИЯ ЦЕНТРАЛЬНОЙ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ ПРИ ВИЧ-ИНФЕКЦИИ. ВИЧ-инфекция и иммуносупрессии. 2014;6(1):40-45. https://doi.org/10.22328/2077-9828-2014-6-1-40-45
3. Antinori A., Arendt G., Becker J.T., Brew B.J., Byrd D.A., Cherner M., Clifford D.B., Cinque P., Epstein L.G., Goodkin K., Gisslen M., Grant I., Heaton R.K., Joseph J., Marder K., Marra C.M., McArthur J.C., Nunn M., Price R.W., Pulliam L., Robertson K.R., Sacktor N., Valcour V., Wojna V.E. Updated research nosology for HIV-associated neurocognitive disorders. J. Neurol., 2007, Vol. 69, No. 18, pp. 1789–1799
4. Fowler L, Saksena NK. Micro-RNA: new players in HIV-pathogenesis, diagnosis, prognosis and antiviral therapy. AIDS Rev 2013; 15:3–14.
5. Harwig, A., Das, A. T., & Berkhout, B. (2014). Retroviral microRNAs. Current Opinion in Virology, 7, 47–54. doi:10.1016/j.coviro.2014.03.013 
6. Heaton R.K., Franklin D.R., Ellis R.J., McCutchan J.A., Letendre S.L., Leblanc S., Corkran S.H., Duarte N.A., Clifford D.B., Woods S.P., Collier A.C., Marra C.M., Morgello S., Mindt M.R., Taylor M.J., Marcotte T.D., Atkinson J.H., Wolfson T., Gelman B.B., McArthur J.C., Simpson D.M., Abramson I., Gamst A., Fennema-Notestine C., Jernigan T.L., Wong J., Grant I.; CHARTER Group; HNRC Group. HIV-associated neurocognitive disorders before and during the era of combination antiretroviral therapy: differences in rates, nature, and predictors. J. Neurovirol., 2011, Vol. 17, No. 1, pp. 3–16.
7. Joseph, S. B., Arrildt, K. T., Swanstrom, A. E., Schnell, G., Lee, B., Hoxie, J. A., & Swanstrom, R. (2013). Quantification of Entry Phenotypes of Macrophage-Tropic HIV-1 across a Wide Range of CD4 Densities. Journal of Virology, 88(4), 1858–1869. doi:10.1128/jvi.02477-13 ;
8. Joseph, S. B., Arrildt, K. T., Sturdevant, C. B., & Swanstrom, R. (2014). HIV-1 target cells in the CNS. Journal of NeuroVirology, 21(3), 276–289. doi:10.1007/s13365-014-0287-x 
9. Meulendyke, K. A., Croteau, J. D., & Zink, M. C. (2014). HIV life cycle, innate immunity and autophagy in the central nervous system. Current Opinion in HIV and AIDS, 9(6), 565–571. doi:10.1097/coh.0000000000000106 
10. Schnell, G., Joseph, S., Spudich, S., Price, R. W., & Swanstrom, R. (2011). HIV-1 Replication in the Central Nervous System Occurs in Two Distinct Cell Types. PLoS Pathogens, 7(10), e1002286. doi:10.1371/journal.ppat.1002286
11. Swaminathan, S., Murray, D. D., & Kelleher, A. D. (2013). miRNAs and HIV: unforeseen determinants of host-pathogen interaction. Immunological Reviews, 254(1), 265–280. doi:10.1111/imr.12077 
12. Swaminathan, G., Navas-Martín, S., & Martín-García, J. (2014). MicroRNAs and HIV-1 Infection: Antiviral Activities and Beyond. Journal of Molecular Biology, 426(6), 1178–1197. doi:10.1016/j.jmb.2013.12.017 
13. Pathai, S., Bajillan, H., Landay, A. L., & High, K. P. (2013). Is HIV a Model of Accelerated or Accentuated Aging? The Journals of Gerontology Series A: Biological Sciences and Medical Sciences, 69(7), 833–842. doi:10.1093/gerona/glt168