J Pineal Res

Мелатонин как иммунорегулирующий агент

Georges JM Maestroni
Center for Experimental Pathology, Istituto Cantonale di patologia, 6601 Locarno 1, Switzerland.

Реферат

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.

Введение

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].

Иммунорегулирующая роль мелатонина

Важность эндогенного мелатонина

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.

Фармакологические эффекты

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].

Клинические исследования

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 действия

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].

Заключение и перспективы

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.