J pineal Res Мелатонин как иммунорегулирующий агент

Georges JM Maestroni

Нейроргормон мелатонин функционально синхронизирует организм со светлым и темным временем суток. В настоящее время признано, что мелатонин также играет важную иммунорегулирующую роль. T-хелперы имеют рецепторы к мелатонину на клеточной мембране и, возможно, ядерные рецепторы мелатонина. Активация рецепторов к мелатонину увеличивает производство клетками T-хелпер цитокинов интерферона гамма и интерлейкина-2, а также опиоидных цитокинов которые перекрестно-иммунологически реагируют с интерлейкином-4 и динорфином B. Мелатонин также увеличивает производство интерлейкина-6 моноцитами человека. Эти медиаторы могут противодействовать вторичным иммунодефицитам, защищать мышей против смертельных вирусных и бактериальных болезней, синергистически действовать с интерлейкином-2 у пациентов с раком и влиять на гемопоэз. Наиболее интересно, что интерферон гамма и колониестимулирующий фактор могут модулировать производство мелатонина шишковидной железой. Поэтому, возможно имеется гипотетическая ось эпифиз-иммуная система-гемопоэз. С иммунофармакологической точки зрения интересны клинические исследования влияния мелатонина на вирусные болезни, включая вирус иммунодефицита человека и рак. Мелатонин, важный иммуномодуляционный гормон, который заслуживает дальнейшего изучения, чтобы идентифицировать его место в болезнях, связанных с иммунитетом, его терапевтические выгоды и неблагоприятные эффекты.

Тремя главными компонентами фундаментальной организации циркадной системы являются ретина, супрахиазматические ядра (SCN) и шишковидная железа. Эндогенная ритмичность производится SCN, в то время как ретина и шишковидная железа участвуют в предотвращении десинхронизации внутренних ритмов. Система ретина-шишковидная железа является системой регулирования, которая синхронизирует организм со светлым и темным временем суток [1]. Мелатонин регулирует фертильность у сезонно размножающихся животных [4], хотя его роль у других видов, включая человека менее ясна [4]. Однако, синхронизация эндокринной активности с соответствующим воздействием окружающей среды имеет жизненную важность для животных, живущих в естественных условиях. Без синхронизации мелатонином, животные ''выпадают'' из взаимодействия с окружающей средой, что опасно для их выживания. Несмотря на очевидные различия, шишковидная железа у человека, кажется, обслуживает ту же самую функцию синхронизации [1]. Кроме того, множество физиологических состояний связано с изменением производства мелатонина. Они включают старение, эмоциональные болезни, неврологические нарушения и рак [1].

До 1986 г. некоторые исследователи утверждали, что удаление шишковидной железы стимулирует пролиферацию иммунокомпетентных клеток [5-7], в отличие от других [8-10]. Однако, большинство исследователей согласны, что пинеалэктомия связана со быстрой инволюцией и гистологической дезорганизацией тимуса [5, 9, 11, 12]. Было предположено, что механизм этого эффекта зависит от увеличения производства гонадных стероидных гормонов. В 1981 г. мы получили первое доказательство возможного влияния эндогенного мелатонина на гуморальный иммунный ответ, на селезенку и тимус у мышей [13]. Позже, с помощью различных фармакологических способов, нацеленных на ингибирование синтеза мелатонина, мы подтвердили эти данные и показали, что мелатонин также действует на T-клеточные иммунные реакции [14]. В другом отчете мы показали, что пинеалэктомия ингибирует лейкомогенез при воздействии радиации и лейкемию в вирусной модели у мышей [15]. Многие авторы в дальнешем расширили эти доказательства. Пинеалэктомизированные мыши имели ослабление гуморального ответа и разрушение циркадного ритма [16]. В другом отчете, ингибирование производства эндогенного мелатонина у хомяков уменьшало вес селезенки и уменьшало бластогенез Т-клеток. Введение мелатонина противодействовало этому эффекту [17]. Производство интерлейкина-2 (IL-2) и антительная клеточная цитотоксичность уменьшались у пинеалэктомизированных мышей, а экзогенный мелатонин восстанавливал эти важные функции [18, 19]. Эндогенный мелатонин влияет на способность образовывать колонии гранулоцитами / макрофагами костного мозга (GM-CFU) [20]. Интересная находка, которая могла бы быть связана с иммуноусиливающим (immunoenhancing) действием эндогенного мелатонина - онкостатическая (oncostatic) роль шишковидной железы и мелатонина [21]. В расхождении с этими результатами, мы сообщили, что пинеалэктомия задерживает развитие T-клеточной лейкемии у мышей, в то время как мелатонин усиливает действие болезни [15]. Объяснением этого неожиданного эффекта могло бы быть то, что в этом случае на злокачественную трансформацию T-клеток, также влияет мелатонин.

Наша предыдущая работа показала, что мелатонин может усиливать иммунную реакцию и исправлять состояние иммунодефицита, которое может следовать за острым стрессом, вирусными болезнями или фармакотерапией. [14, 22-25, 26, 27, 28]. Эти результаты были подтверждены у мышей и человека для различных иммунных параметров [17-19, 29-33]. В этом отношении, очень важное биологическое действие мелатонина - защита мышей от вируса энцефалита и смертельных бактериальных инфекций [34-36]. Недавно, мы также показали, что мелатонин может действовать как терапевтическое средство в экспериментальном грам-отрицательном септическом шоке [37]. Очевидно, этот эффект наблюдался из-за ингибирования производства окиси азота, без участия иммунных механизмов [37].

Вообще, иммуноусиливающее действие мелатонина кажется ограничено T-зависимыми антигенами и было наиболее явным в ситуациях иммуносупрессии. Например, мелатонин полностью нейтрализует инволюцию тимуса и иммунологическую депрессию, индуцированную стрессом или глюкокортикоидной терапией [25]. Мелатонин активен только когда вводится днем или вечером, то есть согласно с его физиологическим ритмом [14, 22]. Кроме того, мелатонин наиболее активно действует на антиген- или цитокин-активизированные иммунокомпетентные клетки [14, 22]. Недавние исследования показывают, что мелатонин может восстановить угнетенную иммунологическую функцию после травмы и геморрагического удара [38]. Активность естественных киллеров может стимулироваться или угнетаться мелатонином [18, 39-40]. Однако, в другом исследовании мы не обнаружили никакого эффекта мелатонина на активность естественных киллеров у здоровых добровольцев [41]. Мы обнаружили, что мелатонин может усиливать антираковый эффект IL-2 [26]. Ранее мы сообщали, что мелатонин может восстановить гемопоэз у мышей Льюиса с пересаженной легочной карциномой (LLC) и леченых химеотерапевтическими средствами [42, 43]. Однако, у мышей без опухоли, мелатонин увеличивал индуцированную химиотерапией миелотоксичность. Это указывает, что мелатонин имеет не только выгодные терапевтических эффекты. Фактически, мелатонин усиливает коллаген-индуцированный артрит [44] и поддерживает T-клеточную лейкемию [15].

Влияние на цитокины

Иммунофармакологическое действие мелатонина установлено, по крайней мере частично, на активизированные клетки T-хелпер (Th), которые под действием мелатонина увеличивают синтез цитокинов IL-2, интерферона гамма и опиоидных пептидов [18, 25, 30, 32, 45, 46]. Мелатонин активизирует моноциты человека и стимулирует производство интерлейкина-1 [33]. Однако, Т-лимфоциты являются главной мишенью для мелатонина у мышей [25,46] и человека, у которых физиологические дозы мелатонина стимулируют производство IL-2 [47]. Мы сообщали, что иммуноусиливающее и антистрессовое действие мелатонина нейтрализуется антагонистом опиоидов налтрексоном [23, 25, 41]. Опиоидные пептиды могут мимикрировать эффект мелатонина [24]. Гематопоэтическая защита включает производство гранулоцито-макрофагного колониестимулирующего фактора (GM-CSF) стромой костного мозга в ответ на возбуждение Th фактором, индуцированным мелатонином [42]. Этот фактор иммунологически и биологически неразличим от интерлейкина-4 (IL-4) [43]. Однако, дальнейшие исследования, нацеленные на подтверждение существования соединения мелатонин-IL-4 не сумели подтверждить эту находку. Мы обнаружили, что этот Th фактор состоит из 2 цитокинов массой 15 и 67 kDa MW с общей опиоидной последовательностью (Tyr-Gly-Gly-Phe) и походит на IL-4 и динорфин B [48]. Активизированные Th клетки лимфатического узла и костного мозга производят эти опиоид-связанные цитокины, которые были названы мелатонин-индуцированные опиоиды (melatonin-induced-opioids) - MIO [48]. Из-за их размера и необычных иммунологических характеристик, MIO мог бы являться новым опиоидным цитокином. MIO с более низкой молекулярной массой (MIO-15), является медиатором как анти-стрессовых так и гематопоэтических эффектов мелатонина [48]. Достаточно интересно, что в отличие от периферических Th клеток, для Th клеток костного мозга кажется не требуется никакой антигенной активации для ответа на мелатонин. Это может отражать различие между Th клетками костного мозга и периферическими Th клетками и различные физиологические требования для регулирования мелатонином гемопоэза. Факт, который может поддержать это предположение состоит в том, что эндогенный мелатонин может стимулировать экспрессию гена проопиомеланокортина в костном мозге крыс [49].

Эти данные соответствуют нашим исследованиям гемопоэтического действии комплекса мелатонин-MIO [42, 43, 50]. Недавно, мы выполнили эксперимент, в котором сравнили способность мелатонина восстанавливать гемопоэз у LLC мышей и у здоровых мышей, леченых цитотоксическим препаратом циклофосфамид. Этот эксперимент был проводился из-за факта, что мелатонин, добавленный в культуры с гранулоцито-макрофагным колониестимулирующим фактором (GM-CFU) мог непосредственно увеличивать число GM-CFU, но только в присутствии оптимальной концентрации колониестимулирующего фактора (CSF), то есть в присутствии активизированных клеток костного мозга [42, 43]. Кроме того, LLC, как известно, производят CSF и усиливают миелопоэтическую активность in vivo [50]. Мелатонин не усиливает гематопоэтическую защиту у здоровых мышей. Скорее, миелотоксичность циклофосфамида увеличивается мелатонином. Однако, и у здоровых и у LLC мышей эффект мелатонина нейтрализуется налтрексоном, что предполагает участие MIO. Мы обнаружили, что этот двойной эффект мелатонина возможно зависит от каппа-опиоидных рецепторов экспрессированых клеткок стромы костного мозга. Фактически, степень потенции опиоидных антагонистов в увеличении числа GM-CFU, когда добавляется непосредственно в культуры, совместима с присутствием каппа-1 опиоидных рецепторов. Присутствие GM-CSF кажется необходимым для каппа-опиоидных антагонистов (или MIO) чтобы усилить их колониестимулирующий активность. В отсутствии GM-CSF, MIO увеличивет индуцированную химиотерапией миелотоксичность [52]. Эти удивительные эффекты показывают существование сложных регулирующих механизмов и нуждаются в дальнейших исследованиях.

Рецепторы мелатонина

Главным продвиженим в понимании циркадного действия мелатонина, было недавнее клонирование семейства G-белок-связанных (G-protein-coupled) рецепторов мелатонина. Пока найдено три подтипа рецепторов мелатонина - Mel1a, Mel1b и Mel1c с Kd в пределах от от 20 до 160 pM [53]. Была описана высокая аффинность рецепторов мелатонина в иммунокомпетентных клетках, в мембранах гомогената тимуса, сумки Фабрициуса и селезенки множества птиц и млекопитающих [54]. Другое исследование показало, что мелатонин связывается с лимфоидными клетками человека, модулируя пролиферативный ответ. Активация Т-клеток значительно увеличивает связывание мелатонина [56]. Рецепторы мелатонина главным образом находятся в Th клетках, но также и в CD8+ T-клетках и B клетках [47]. Кроме мембранных рецепторов, были описаны ядерные рецепторы мелатонина в миелоидных клетках человека. Мелатонин - лиганд для ядерных рецепторов RZR/ROR. Мелатонин уменьшает экспрессию RZR/ROR гена, который кодирует 5 липоксигеназу, ключевой фермент для аллергических и воспалительных болезней [57].

На основании наших исследований животных, в которых мы показали, что мелатонин может синегистически с IL-2 влиять на рост опухоли [26], группа доктора Лиссони в Италии провела внушительный ряд клинических исследований пациентов с раком. Для лечения более 200 пациентов, у которых стандартная антираковая терапиия была не толерантна или неэффективна, применялся IL-2 и мелатонин. Полученные результаты показывают, что эта нейроиммунотерапевтическая стратегия может усиливать анти-опухолевую активность низких доз IL-2, стимулируя регресс опухоли, увеличивает выживаемость и, кроме того, такая терапия очень хорошо переносится. Должно быть подчеркнуто, что мелатонин требуется для эффективности низких доз IL-2 в тех неоплазиях, которые являются резистентными к лечению только IL-2 [58]. Подобные результаты были получены в исследовании, в котором мелатонин использовался с IFN-gamma для лечения метастатического рака почки [58]. Кроме того, мелатонин в комбинации с низкой дозой IL-2 был способен нейтрализовать индуцированную операцией лимфоцитопению у пациентов с раком [60]. Напротив, самое последнее двойное слепое исследование, исследующее миелопротективный эффект мелатонина в комбинации с карбоплатином и этопозидом у пациентов с раком легкого показало, что мелатонин увеличивает время индуцированной химиотерапией нейтропении (М. Ghielmini, готовится к публикации). Это является важным доказательством потенциально опасного неблагоприятного эффекта мелатонина.

Механизм большинства иммунофармакологических эффектов мелатонина является прямым. Мелатонин связывается со специфическими рецепторами мелатонина на мембране Th клеток, стимулирующих производство IFN-gamma, IL-2 и MIO который в свою очередь усиливают иммунную реакцию. Вторичные мессенджеры полностью не исследованы, но включают белок G и ингибирование производства cAMP [47]. Иммунотерапевтический эффект мелатонина против вирусов энцефалита или бактериальных инфекций [35-36] можно было бы объяснять увеличенным производством IFN-gamma и/или IL-2 а также увеличением миелопоэза из-за гематопоэтического действия MIO. Механизм, вовлекающий Th1 цитокины, мог бы объяснять способность мелатонина восстановить иммунодефицит, вторичный к старению [30, 32], при кровоизлиянии после травмы [38] и синергизм с IL-2 у пациентов с раком [58, 60]. В отношении способности мелатонина противодействовать инволюции тимуса и иммунодепрессии, вызванной стрессом или кортикостероидной терапией, главными медиаторами является MIO.

Мы еще не знаем, действует ли MIO только на периферические иммунокомпетентные клетки и тимус или также действует на гемопоэтические эффекты опиоидных цитокинов. Неожиданная миелотоксичность, индуцированная мелатонином при химеотерапевтическом лечении рака или, наоборот, восстановление гемопоэза, наблюдаемое у LLC мышей, зависит от сложного ряда событий, которые включают гемопоэтические эффекты MIO. Обнаружение, что клетки костного мозга экспрессируют каппа-опиоидные рецепторы [52], кажется важным для понимания эффектов мелатонина и, вообще, физиологии гемопоэза. MIO мог бы принадлежать к новому семейству эндогенных каппа-опиоидных антагонистов который, в случае гемопоэтической защиты, синергистически действует с GM-CSF на каппа-рецепторы клеток стромы [52]. Это объяснило бы, почему у LLC мышей, MIO восстанавливает гемопоэз после токсического действия химиотерапии. Известно, что LLC фактически производят GM-CSF [51]. В отсутствии CSF, мелатонин стимулирует противоположный эффект. Это могло бы зависить от присутствия других типов опиоидных рецепторов или при участии IFN-gamma или других гемопоэтических ингибиторов. Синергистический эффект мелатонина и IL-2 вероятно зависит от факта, что IL-2 per se производит активацию периферийных Th клеток, и это, кажется, увеличивает экспрессию рецепторов мелатонина [56]. Активизированные Th клетки также могут производить GM-CSF. Это могло бы объяснять положительные терапевтические и гемопоэтические эффекты мелатонина, когда он применяется вместе с IL-2 у пациентов с раком [58, 60].

Цитокины, вовлеченные в иммунно-гематопоэтические эффекты мелатонина, могут влиять на производство мелатонина шишковидной железой. Шишковидная железа фактически расположена вне гематоэнцефалического барьера и некоторые отчеты показывают, что IFN-gamma может непосредственно действовать на синтез мелатонина шишковидной железой [61]. Другие исследования показывают, что цитокины типа CSF могут влиять на производство мелатонина [62]. Кроме того, помимо действия на мембранные рецепторы, мелатонин мог бы воздействовать на иммунную систему через ядерные рецепторы [47, 57] или через гормоны гипофиза типа соматотропина [63]. Также было предложено, что мелатонин воздействует на иммунную систему через совместное действие цинка и тимичесого гормона тимулина [64].

Мы можем заключить, что мелатонин является важным эндогенным нейроиммуномодулятором и потенциально иммунотерапевтическим средством. Однако, мы все еще далеки от полного понимания механизма, лежащего в основе этих свойств. Например, не понятно, действует ли мелатонин избирательно на Th1 или Th2 клетки, или на те и другие. Кроме того, не известно, может ли мелатонин стимулировать экспрессию генов цитокинов или его действие только посттрансляционное. Это кажется довольно важным пунктом, поскольку баланс Th1/Th2 и производство цитокинов критически важны для успешной иммунной реакции и могут быть важны при иммунных патологиях [65]. Стимулирующий эффект мелатонина на IL-2 и IFN-gamma и отсутствие влияния на IL-4, предполагает участие Th1 клеток. Возможно, Th1 клетки также могут производить MIO, который радикально отличается от энкефалин-содержащих молекул, которые производятся Th2 клетками [66]. С другой стороны, защитный эффект, вызванный мелатонином в экспериментальной модели вирусного энцефалита также как и его способность восстановить пониженную иммунную функцию, совместима с участием Th1 клеток [67].

Физиологически, кажется возможным различить две различных роли мелатонина. Первая имеет место при острых состояниях, при вирусной или бактериальной инфекции, которая производит реальную активацию иммунной системы. В этом состоянии, эндогенный и/или экзогенный мелатонин может оптимизировать иммунную реакцию, поддерживая функции Th клеток и производство цитокинов, часть которых (MIO) имеет миелопоэтическую активность. Вторая, более общая роль может заключаться в усилении на гемопоэтическом и иммунном уровне циркадного регулирования иммунологических механизмов, для достижения иммунного гомеостаза. Это предположение инициировано наблюдением, что у здоровых мышей, то есть в отсутствии инфекции и иммунологической активации, только Th клетки, которые находятся в костном мозге, чувствительны к мелатонину [27, 50]. Продукты взаимодействия мелатонин - Th клетки костного мозга - MIO, который может воздействовать на гемопоэз и пролиферацию тимоцитов [27, 50].

Эти механизмы действия мелатонина как иммунотерапевтического средства, могли бы использованы для исправления вторичного иммунодефицита или борьбы с вирусными болезнями. Мы уже заявляли в предшествующем обзоре [27] и еще раз хотели бы подчеркнуть необходимость большого двойного слепого исследования ВИЧ-положительных пациентов. В присутствии нормальных индексов Th клеток, очевидная способность мелатонина поддерживать функции Th клеток, IL-2 и производство IFN gamma, могло бы приводить к отсрочке развития СПИДА.

Использование мелатонина в комбинации с IL-2 при нейроиммунотерапии рака может продлевать жизнь и улучшать качество жизни пациента [58]. Эти обнадеживающие результаты получены Lissoni с коллегами. В отношении использования мелатонина при лечении рака в комбинации с химеотерапией, полученные результаты пока неутешительны. Мелатонин усиливает повреждение костного мозга при обычных для лечения рака химеотерапевтических режимах. Этот факт призывает к дальнешему исследованию роли мелатонина в гемопоэзе и указывает, что в некоторых состояниях, мелатонин может иметь серьезные неблагоприятные эффекты.

Transl Gastrointest Cancer. 2013 Jan 1;2(1). doi: 10.3978/j.issn.2224-4778.2012.08.03.