Budowa układu odporności i działanie jego elementów
Spirulina Lipopolysaccharides Inhibit Tumor Growth
Source: Oncology Reports; Authors: Hiromi Okuyama Akira Tominaga, z Laboratory of Immunology, Faculty of Pharmacy, Osaka Ohtani University, Tondabayashi, Osaka 584-8540, Japan
Spirulina lipopolysaccharides inhibit tumor growth in a Toll-like receptor 4-dependent manner by altering the cytokine milieu from interleukin-17/interleukin-23 to interferon-γ
Spirulina lipopolysaccharides inhibit tumor growth in a Toll-like receptor 4-dependent manner by altering the cytokine milieu from interleukin-17/interleukin-23 to interferon-γ
Hiromi Okuyama Akira Tominaga Satoshi Fukuoka Takahiro Taguchi Yutaka Kusumoto Shiro Ono
Oncology Reports; 2017 Feb; 37(2): 684–694.
Abstract
Th17 cells and the cytokine they produce, interleukin (IL)-17, play an important role in tumor progression in humans and in mice. IL-6 and IL-23 are critical cytokines for the differentiation and propagation of Th17 cells, respectively. Bacterial lipopolysaccharides (LPS) are known to stimulate immune cells to produce such inflammatory cytokines. Contrary to Escherichia coli (E. coli) LPS, LPS from Spirulina has low toxicity and barely induces in vivo production of IL-6 and IL-23 in mice. We examined the antitumor effects of Spirulina LPS compared to E. coli LPS in an MH134 hepatoma model. Administration of Spirulina LPS suppressed tumor growth in C3H/HeN mice, but not in Toll-like receptor 4 (TLR4)-mutant C3H/HeJ mice, by reducing serum levels of IL-17 and IL-23, while increasing interferon (IFN)-γ levels. The antitumor activity and IFN-γ production were mediated by T cells. Moreover, in vitro experiments showed that Spirulina LPS impaired the antigen-presenting function that supports the generation of IL-17-producing cells in a toll-like receptor (TLR)4-dependent manner. Of note, injection of anti-IL-17 antibody in tumor-bearing C3H/HeN mice in the absence of Spirulina LPS markedly suppressed tumor growth and augmented IFN-γ responses. Thus, our results support the notion that IFN-γ and IL-17/IL-23 mutually regulate Th17 and Th1 responses in tumor-bearing hosts, and Spirulina LPS modulates the balance of the IFN-γ-IL-17/IL-23 axis towards IFN-γ production, which leads to tumor inhibition. Furthermore, Spirulina LPS effectively inhibited the spontaneous development of mammary tumors. This study has important implications for the exploitation of TLR-based immunomodulators for cancer immunotherapy.
Introduction
Although the immune system generally recognizes abnormal proteins on tumor cells as tumor antigens, spontaneous immune responses are too weak to suppress tumor growth. To overcome this problem, a variety of adjuvants, including toll-like receptor (TLR) ligands, are investigated to potentiate antitumor immunity. The bacillus Calmette-Guérin (BCG), historically known for its effective adjuvant properties, is often used in the treatment of cancer patients (1).
The innate immune system recognizes pathogen-associated molecular patterns expressed on microorganisms through corresponding TLRs, and the activation of innate immunity by TLRs produces proinflammatory cytokines such as interleukin (IL)-6 and IL-12, leading to the subsequent induction of adaptive immune responses (2,3). IL-12 is produced by macrophages (MΦ) and dendritic cells (DC) and dictates the differentiation of CD4 Th1 cells, which produce interferon (IFN)-γ and activate natural killer (NK) cells and cytotoxic CD8 T cells (4). IFN-γ plays an important role in the prevention of primary tumor development and intracellular pathogen invasion (5–7). Among the different TLR ligands, lipopolysaccharide (LPS) from gram-negative bacteria exhibits antitumor activity in addition to marked toxicity (8). The study of the bioactivity of LPS from various species revealed that LPS prepared from Bordetella pertussis and a synthetic analog of the LPS lipid A subunit are less toxic than E. coli LPS, and display antitumor effects (9,10).
Recent studies have revealed that IL-23/IL-17 signaling plays an important role in tumorigenesis and metastasis in humans and in mice (11–16). IL-17 is primarily produced by T cells and acts on tumor cells and tumor-associated stromal cells to induce angiogenesis and the production of IL-6, IL-8, and matrix metalloproteinases. IL-23 is produced by Mϕ/DC and facilitates the expansion and survival of IL-17-producing CD4 T (Th17) cells and therefore, the production of IL-17 (17,18). Moreover, it has become evident that a combination of IL-6 and transforming growth factor (TGF)-β induces Th17 differentiation from naive T cells (19,20). Since Mϕ/DC produces both antitumor (IL-12) and tumor-promoting (IL-6/IL-23) cytokines upon stimulation with TLR ligands (21,22), the regulation of this balance is critical for TLR-based cancer immunotherapy (17,18). Moreover, IL-17 stimulates tumor cells and tumor-surrounding cells to induce IL-6 expression, which in turn leads to the activation of signal transducer and activator of transcription 3 (STAT3) (16,23). STAT3 is linked to numerous oncogenic signaling pathways and is constitutively activated both in tumor cells and in immune cells under tumor microenvironment-like conditions. Thus, ideal candidate molecules for tumor immunotherapy are TLR-based immunomodulators that do not induce or partially induce IL-6/IL-23.
While exploring TLR4 responsiveness of the material extracted from algae and cyanobacteria (24), we found that LPS phenol-water extracts from Spirulina (Arthrospira) were able to induce IL-12. Noteworthy, Spirulina LPS showed a much lower in vitro induction of IL-6 and IL-23 by Mϕ/DC than E. coli LPS. Spirulina is a gram-negative, oxygenic, photosynthetic, filamentous cyanobacterium (blue-green alga), and since the Aztec civilization in Mexico, it has been widely used as a nutritional and therapeutic supplement (25). Spirulina LPS is reported to be less toxic compared to LPS from Salmonella abortus (26), but its effects on cytokine production or antitumor activities have not been studied extensively. Thus, it would be very interesting to study how Spirulina LPS affects tumor growth and in vivo production of inflammatory cytokines.
Although most experiments examined the in vitro production of IL-17-associated inflammatory cytokines thus far, the expression patterns of these cytokines in tumor host tissue remain to be established. We report here that Spirulina LPS did not induce or only partially induced IL-6 and IL-23 and efficiently suppressed the growth of hepatocellular carcinoma MH134 in a TLR4-dependent manner, by reducing the serum levels of IL-17 and IL-23, while increasing those of IFN-γ. Interestingly, anti-IL-17 monoclonal antibodies (mAb) clearly suppressed tumor growth as efficiently as Spirulina LPS. Furthermore, Spirulina LPS was quite effective in inhibiting spontaneous development of mammary tumors in an oncogene transgenic mouse model.
Hereinfater you will find link to the full paper.
Okuyama H, Tominaga A, Fukuoka S et al. Spirulina lipopolysaccharides inhibit tumor growth in a Toll-like receptor 4-dependent manner by altering the cytokine milieu from interleukin-17/interleukin-23 to interferon-γ Oncology Reports; 2017 Feb; 37(2): 684–694.
Limfocyty B
Limfocyty B i T stanowią dwa główne rodzaje limfocytów. Komórki B działają głównie przez wydzielanie do płynów organizmu substancji zwanych przeciwciałami. Przeciwciała wyłapują krążące we krwi antygeny. Jednak nie posiadają one zdolności do przenikania do komórek. Zadanie atakowania komórek docelowych – albo komórek zakażonych przez wirusy – albo komórek zaatakowanych przez raka pozostaje komórkom T lub innym komórkom odporności (opisanymi poniżej).
Każda komórka B jest zaprogramowana na produkcję jednego specyficznego przeciwciała. Na przykład jedna komórka B produkuje przeciwciało, które blokuje wirus wywołujący przeziębienie, podczas gdy inna produkuje przeciwciało które atakuje bakterię wywołującą zapalenie płuc.
Jeśli komórka B napotka spustowy antygen, to uruchamia wzrost wielu dużych komórek znanych jako komórki plazmatyczne. Każda komórka plazmatyczna stanowi wyspecjalizowaną fabrykę przeciwciał. Każda komórka plazmatyczna jest potomkiem komórki B i wytwarza miliony identycznych przeciwciał uwalnianych do krwi. Przeciwciało pasuje do antygenu tak jak klucz do zamku. Niektóre pasują bardzo dokładnie inne bardziej jak wytrych. Ale gdziekolwiek przeciwciało i antygen się połączą przeciwciało zaznacza antygen że jest do zniszczenia. Przeciwciała należą do rodziny dużych cząsteczek znanych jako immunoglobuliny. Różne rodzaje przeciwciał pełnią różne funkcje w strategii obrony immunologicznej.
- IgA (tzw. immunoglobulina błonowa) pełni główną rolę w mechanizmie odpornościowym błon śluzowych (1) układu oddechowego (2) przewodu pokarmowego, (3) układu moczopłciowego.
- IgG (immunoglobuliny G) potrafią opłaszczać drobnoustroje, przyspieszając ich wychwytywanie przez inne komórki układu odporności.
- IgM jest bardzo skuteczne w zabijaniu bakterii.
- IgA koncentruje się w wydzielanych płynach – łzach, ślinie wydzielinie układu oddechowego, przewodu pokarmowego, dróg rodnych dozorując wejścia do organizmu.
- IgE , jej pierwotna funkcja to prawdopodobnie ochrona przed zakażeniem parazytami, a jest odpowiedzialna za objawy alergii.
- IgD pozostaje przyłączona do komórek B i pełni kluczową rolę w inicjacji wczesnej odpowiedzi komórek B.
Komórki T (limfocyty T)
W odróżnieniu do komórek B, komórki T nie rozpoznają swobodnie krążących antygenów. Raczej ich powierzchnia posiada wyspecjalizowane receptory (tzw. antibody-like receptors), które rozpoznają fragmenty antygenów na powierzchni zakażonych lub rakowych komórek. Komórki T biorą udział w obronie immunologicznej na dwa główne sposoby: niektóre kierują i regulują odpowiedzią odpornościową; inne atakują bezpośrednio komórki zakażone lub zmienione nowotworowo.
Limfocyty Th (helper T cells) koordynują reakcje odpornościowe poprzez komunikowanie się z innymi komórkami. Niektóre stymulują znajdujące sie pobliżu komórki B do produkcji przeciwciał, inne wzywają komórki żerne zwane fagocytami, inne wreszcie aktywują inne komórki T.
Limfocyty T cytotoksyczne, nazywane również limfocytami Tc (Cytotoxic T Lymphocytes - CTLs) pełnią różne zadania. Komórki te bezpośrednio atakują inne komórki, które noszą pewne obce lub nieprawidłowe cząsteczki na swej powierzchni. Limfocyty T cytotoksyczne są szczególnie użyteczne w obronie przed wirusami, gdyż wirusy są często schowane przed innymi elementami układu odporności ponieważ wirusy często namnażają się wewnątrz zakażonych komórek. Komórki te potrafią wykryć nawet niewielkie fragmenty wirusa sterczące poprzez błonę komórkową zakażonej wirusami komórki i przypuścić na nią atak aby ją zniszczyć.
W większości przypadków komórki T mogą rozpoznać antygen tylko jeśli jest on niesiony na powierzchni komórek, przez własne cząsteczki MHC (major histocompatibility complex = główny kompleks zgodności tkankowej). Cząsteczki MCH to białka uznawane przez komórki T gdy rozróżniają własny – obcy. Własne cząsteczki MHC tworzą rozpoznawalne rusztowanie służce do prezentowania komórkom T obcych antygenów.
Wprawdzie cząsteczki MHC są potrzebne limfocytom Tc by zaatakować obcych najeźdźców, to stwarzają one problemy w przypadku przeszczepu narządów. Każda komórka organizmu posiada na swej powierzchni białka MHC, zaś każdy człowiek ma swój odrębny zestaw tych białek. Jeśli limfocyt Tc rozpozna cząsteczki "obcego" MHC na powierzchni jakiejś komórki, a tak się dzieje przy przeszczepach, przystąpi do jej niszczenia. Dlatego trzeba dobierać dawców narządów posiadających najbardziej podobny do zestawu biorcy zestaw cząsteczek MH(głównego kompleksu zgodności tkankowej). Inaczej limfocyty Tc prawdopodobnie przypuszczą atak na przeszczepiony narząd i dojedzie do jego odrzucenia.
Komórki NK czyli komórki naturalni zabójcy (NK cells = Natural killer cells) są innym rodzajem białych krwinek klasy limfocytów. Tak jak limfocyty T cytotoksyczne (LTc), komórki NK są uzbrojone w granule wypełnione silnymi substancjami chemicznymi. Jednak podczas gdy zabójcze limfocyty T cytotoksyczne poszukują fragmentów antygenów przyłączonych do cząsteczek "swojego" MHC, komórki NK rozpoznają komórki, które nie posiadają cząsteczek "swojego" MHC. W związku z tym, komórki NK mają zdolność do atakowania różnych rodzajów obcych komórek.
Oba rodzaje zabójczych komórek zabijają poprzez kontakt. Zabójcy przyłączają się do celu, kierują na niego swe uzbrojenie i wywołują śmiertelną eksplozję substancji chemicznych.
Fagocyty i ich krewni
Fagocyty są dużymi białymi komórkami, które potrafią pożreć i strawić mikroby i inne obce cząsteczki. Monocyty są fagocytami, które krążą we krwi. Gdy monocyty przejdą do tkanek przekształcają się w makrofagi.
Wyspecjalizowane rodzaje makrofagów stwierdza się w wielu narządach: płucach, nerkach, mózgu i wątrobie. Makrofagi pełnią wiele funkcji. Jak czyściciele, uwalniają organizm ze zużytych komórek i innych szczątek (śmieci). Demonstrują one kawałki obcych antygenów, tak aby zwrócić uwagę właściwych (odpowiednich) limfocytów. Kierują na zewnątrz niesamowitą mnogość potężnych sygnałów chemicznych, znanych jako monokiny, które są istotne dla odpowiedzi immunologicznej.
Inny rodzaj komórek układu odporności to granulocyty. Zawierają one granule wypełnione potężnymi substancjami chemicznymi, które pozwalają granulocytom na niszczenie mikroorganizmów. Niektóre z tych substancji, takie jak histamina biorą również udział w procesach zapalenia i alergii.
Jednym z granulocytów, jest neutrofil, jest również fagocytem; używa on zgromadzonych wcześniej substancji chemicznych do rozłożenia i strawienia mikrobów. Eozynofile i bazofile to inne granulocyty, które uwalniają ze swych granuli substancje chemiczne rozpylając je na znajdujące się w pobliżu mikroby i szkodliwe komórki.
Komórki tuczne są bliźniaczymi komórkami bazofilów, poza tym, że nie są one krwinkami. Znajduje się je w tkankach: płucach, skórze, języku, błonie śluzowej wyścielającej jamę nosową i przewód pokarmowy, gdzie odpowiadają za objawy alergii.
Pokrewną strukturą są płytki krwi. Są to fragmenty komórek, które również zawierają granule. Do funkcji płytek związanej z agregacją krwinek, krzepnięciem i leczeniem zranień należy również aktywacja odporności.
Cytokiny
Składowe układu odporności komunikują sie pomiędzy sobą poprzez wymianę chemicznych posłańców zwanych cytokinami. Te białka są wydzielane przez komórki i oddziałują na inne komórki, aby koordynować właściwą odpowiedź immunologiczną. Cytokiny obejmują zróżnicowany asortyment interleukin, interferonów i czynników wzrostu. Niektóre cytokiny są rodzajem chemicznych włączników, które włączają lub wyłączają pewne rodzaje komórek odporności.
Jedna z cytokin, interleukina 2 (IL-2), uruchamia produkcję komórek T przez układ odporności. Stymulujące odporność właściwości IL-2 czynią z niej tradycyjnie nadzieję w leczeniu szeregu schorzeń. Prowadzone są badania kliniczne testujące ich korzyści w innych chorobach takich jak rak, zapalenie wątroby typu C, zakażenie HIV i AIDS. Również inne cytokiny są badane dla ich potencjalnych korzyści terapeutycznych i zastosowań klinicznych.
Inne cytokiny przywabiają chemicznie poszczególne rodzaje komórek. Te tak zwane chemokiny są uwalniane przez komórki w miejscu uszkodzenia (urazu) lub zakażenia oraz wzywają inne komórki układu odporności do tego miejsca, aby pomogły naprawić uszkodzenie i zwalczyć intruzów. Chemokiny często odgrywają kluczową rolę w zapaleniu i są obiecującym celem dla nowych leków regulujących odpowiedź immunologiczną.
Układ dopełniacza
Układ dopełniacza zawiera ok. 25 białek, które działają wspólnie aby “dopełniać” akcję przeciwciał w niszczeniu bakterii. Dopełniacz wspomaga również uwalnianie organizmu z kompleksów antygen-przeciwciało. Białka dopełniacza, które powodują rozszerzenie naczyń krwionośnych i wywołują ich przepuszczalność, biorą udział w powstaniu zaczerwienienia, obrzęku, bólu, we wzroście temperatury i utracie funkcji co charakteryzuje odpowiedź zapalną.
Białka dopełniacza krążą we kwi w postaci nieaktywnej. Gdy pierwsze z białek dopełniacza zostanie aktywowane – typowo przez przeciwciało, które zarygluje antygenem, uruchamia się efekt domino. Każdy składnik (bierze) posiada swój udział w precyzyjnym łańcuchu kroków znanych jako kaskada dopełniacza. Produktem końcowym jest cylinder, który wbija się w ścianę komórki tworząc w niej dziurę (otwór). Płyny i cząsteczki wpływają i wypływają przez nią do komórki, która puchnie (brzęknie) i się rozpęka. Inne składniki układu dopełniacza czynią bakterie podatnymi na fagocytozę i/lub zwabiają inne komórki do tego rejonu.
