Несмотря на то что подавляющее большинство иммунокомпетентных клеток учеными идентифицировано, никому ранее не удавалось провести полный «учет» иммунной системы организма: неясно было, сколько клеток каждого типа в человеческом теле, каковы их общая масса и объем. Пока такую попытку не предприняли молекулярные биологи из Научного института Вейцмана (Израиль) с коллегами из Вашингтонского университета (США). Результаты их очень любопытной «иммунной бухгалтерии» опубликованы в научном журнале PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences).
Есть вопросы. Как найти ответ?
Иммунная система представляет собой сложнейшую сеть клеток, органов и тканей и процессов в них, выполняющую важнейшие задачи по распознаванию угроз и обеспечению защиты. Распределение иммунных клеток в организме является фактором, определяющим общее состояние здоровья. Различные клетки выполняют разные функции и должны присутствовать в количестве, необходимом для обеспечения эффективного ответа. Однако целостную характеристику такого распределения дать сложно по причине гетерогенности популяций иммунных клеток и сложной организации иммунных органов и тканей.
Все предыдущие исследования либо фокусировались на конкретных тканях, органах или типах клеток, либо включали иммунные клетки в общий подсчет без детального распределения, используя методы и критерии количественной оценки (гистология, проточная цитометрия и др.), что затрудняло сравнение результатов разных исследований.
Кроме того, зачастую анализ проводился на грызунах, а следовательно, его применимость к человеку была ограничена. Один из вопросов, которому ранее уделялось особое внимание, — какой орган является наиболее иммуногенным в организме человека. В исследованиях последнего времени все чаще высказывается мысль, что это кишечник, хотя предлагаются и иные альтернативные кандидаты.
В новом исследовании, опубликованном в PNAS, представлен всесторонний обзор распределения иммунных клеток в организме человека, по мнению экспертов, настолько строгий и полный, насколько позволяют накопленные в настоящий момент научные знания.
Исследователи рассмотрели все ткани и органы, в которых «обитают» иммунные клетки, интегрировали имеющиеся литературные данные, проанализировали данные из последних источников, используя методы описательной статистики и метаанализа, объединили данные мультиплексной визуализации (этот метод позволяет измерить несколько белков или мишеней in situ в рамках одного эксперимента и получить более детальное и точное представление о популяции иммунных клеток и их распределении в исследуемых тканях) и деконволюции клеточного состава на основе метилома (совокупности химических маркеров, состоящих из метильных групп, которыми «усеяна» ДНК клетки). Были учтены некоторые факторы, влияющие на распределение иммунных клеток, в частности возраст и пол.
Ученые попытались дать максимально полное представление о сложной и динамичной организации иммунной системы и пролить свет на факторы, регулирующие распределение иммунных клеток в условиях болезни и здравия.
Типы иммунных клеток, которые взялись считать
Все анализируемые в исследовании типы иммунных клеток были разделены на две основные линии: лимфоидную и миелоидную. Рассматривались 4 основных типа клеток лимфоцитов: Т- и В-клетки, плазматические и NK-клетки (естественные киллеры). В рамках исследования не выделялись субпопуляции лимфоцитов, такие как CD4/CD8-позитивные Т-клетки, регуляторные Т-клетки или другие врожденные лимфоидные клетки, помимо NK-клеток.
Что касается миелоидных клеток, то в данной работе рассматривались 4 типа гранулоцитов: нейтрофилы, эозинофилы, базофилы и тучные клетки. Также анализировались 3 негранулоцитарных типа миелоидных клеток: макрофаги, моноциты и дендритные клетки (но без деления на субпопуляции этих типов клеток, такие как классические или неклассические моноциты или макрофаги М1/М2). Тканеспецифические макрофаги, такие как микроглия, клетки Купфера и клетки Лангханса, рассматривались как макрофаги без различий, за исключением оценки клеточной массы, которая варьирует в разных тканях.
Стандартным эталонным человеком был взят мужчина в возрасте от 20 до 30 лет, весом 73 кг и ростом 176 см. Затем результаты экстраполировали на другие слои населения, получив референтную оценку популяции иммунных клеток для здоровых женщин того же возраста с массой тела 60 кг и детей 10 лет с массой тела 32 кг.
Был выстроен эталон общей массы различных систем и органов организма, кроме того, ткани и органы разделили на обширные группы на основе предполагаемого сходства по присутствию иммунных клеток. В эти группы вошли костный мозг, лимфатическая система, кровь, барьерные эпителиальные органы (желудочно-кишечный тракт, кожа, легкие и дыхательные пути), другие эпителиальные органы, поперечно-полосатая мускулатура, жировая ткань, другие соединительные ткани (включая периферические лимфатические сосуды), центральная нервная система, а также внеклеточные жидкости и матрикс.
В тех случаях, когда данные по человеку были недоступны, плотность тканей, характерную для конкретного типа клеток, оценивали с помощью двух подходов: экстраполяции данных, полученных на других млекопитающих (мыши, крысы и обезьяны), и расчета средней плотности клеток в аналогичных органах одной группы (среднее геометрическое). Также были объединены оценки плотности и массы иммунных клеток для каждой ткани, чтобы получить общее количество клеток каждого типа, присутствующих в каждой ткани.
«Физические параметры» иммунной системы
Ученым удалось охарактеризовать распределение иммунных клеток в организме человека и подсчитать их количество и общую массу.
По оценкам авторов работы, иммунная система среднего человека состоит примерно из 1,8 трлн (1,8×1012) клеток, масса которых в среднем около 1,2 кг. На лимфоциты приходится 40 % от общего числа иммунных клеток и 15 % от их массы (сосредоточены в лимфатических узлах и селезенке). Нейтрофилы примерно в сопоставимой доле (большинство «обитает» в костном мозге). Макрофаги (присутствуют в большинстве тканей) составляют 10 % иммунных клеток, но на их долю приходится почти 50 % от общей клеточной массы из-за их большого размера.
Количественное распределение. Наибольшая плотность иммунных клеток наблюдается в лимфатической системе и костном мозге (эти органы состоят преимущественно из иммунных клеток). Плотность иммунных клеток одинакова во всех эпителиальных органах (как барьерных, так и внутренних), но на порядок ниже, чем в костном мозге. Доля конкретного типа иммунных клеток в разных эпителиальных тканях может значительно различаться. Плотность макрофагов, Т- и В-клеток в этих тканях колеблется в пределах 106–107 клеток на грамм. Плазматические клетки и эозинофилы в основном сосредоточены в ЖКТ, а тучные клетки — в соединительных тканях и lamina propria (cобственная пластинка слизистой оболочки) эпителиальных органов.
На адипозную ткань и скелетные мышцы приходится около 75 % клеточной массы организма, но в них всего 0,2 % от общего количества иммунных клеток. Таким образом, плотность клеток в жировой и мышечной тканях на несколько порядков ниже, чем в эпителиальной, что обусловлено большим размером клеток. Тем не менее общая популяция иммунных клеток в этих тканях сходна с таковой в эпителиальных из-за их общей большой массы.
Оценка распределения иммунных клеток по различным тканям человеческого организма показала, что большая часть иммунных клеток находится в костном мозге и лимфатической системе (40 % и 39 % соответственно). На кожу, легкие и ЖКТ приходится 3–4 % всех иммунных клеток в организме человека, а в кровь попадает только ≈2 %, причем только 0,1 % из них составляют лейкоциты, все остальное — эритроциты и тромбоциты.
Разнообразный состав иммунных клеток в различных тканях наглядно представлен на рис. 1.
Рисунок 1. Распределение иммунных клеток в организме человека. Оценка популяций иммунных клеток по типам, сгруппированным по основным тканям и системам. На «вафельной» диаграмме представлено распределение иммунных клеток в каждой ткани, причем каждый квадрат — популяция из 109 клеток. К «другому» относятся мозг, сердце, жировая ткань, скелетные мышцы, почки и т. д.
В костном мозге содержится ≈7,4×1011 клеток (95% ДИ: 6–9×1011), причем преобладают нейтрофилы, составляющие около 80 % популяции. Аналогично в лимфатической системе ≈7,2×1011 иммунных клеток (95% ДИ: 5–10×1011), причем преобладающим типом клеток являются лимфоциты (почти 85 % от общего числа). Пищеварительная система также характеризуется относительно высокой численностью лимфоцитов: около 70 % от 5×1010 иммунных клеток ЖКТ (95% ДИ: 3–9×1010). Кроме того, значительный вклад в популяцию иммунных клеток пищеварительной системы вносят тучные клетки, составляющие около четверти ее численности. Тучные клетки также играют значительную роль в популяциях иммунных клеток легких и кожи — на них приходится около 30 % от общего числа иммунных клеток в каждой из систем (7×1010 для легких и 8×1010 для кожи).
В таких тканях, как костный мозг, лимфатическая система и ЖКТ, макрофаги составляют незначительную часть иммунных клеток. Однако в печени на их долю приходится около 70 % популяции иммунных клеток (5×1010, 95% ДИ: 4–7×1010), а в легких они составляют около 40 % всей популяции иммунных клеток.
Дополнительная картина с точки зрения общего распределения типов иммунных клеток по тканям организма представлена на рис. 2. Т-клетки, В-клетки и дендритные клетки сосредоточены преимущественно в лимфатической системе, а около 70 % плазмоцитов — в ЖКТ. Нейтрофилы, эозинофилы, моноциты и базофилы находятся в основном в костном мозге и менее 10 % — в крови. Напротив, тучные клетки, естественные киллеры и макрофаги являются тканевыми резидентными клетками, не имеющими доминирующего распределения в какой-либо системе.
Рисунок 2. Клеточно-тканевое распределение иммунных клеток в организме человека. Оценки популяций иммунных клеток по типам, сгруппированным по основным тканям и системам. Для каждого типа клеток распределение по системам представлено в виде абсолютного числа клеток (A), абсолютной массы клеток (B) и относительного числа клеток (C).
Распределение по массе. Научные данные о средней массе конкретных типов иммунных клеток ограничены, и чтобы получить репрезентативную массу клеток каждого типа, авторам работы пришлось собрать и интегрировать всю информацию о размерах и объемах иммунных клеток из литературы и исследований. Объединив оценки распределения и массы клеток, удалось получить картину, представленную на рис. 3.
Рисунок 3. Распределение массы иммунных клеток в организме человека. Оценка массы иммунных клеток сгруппирована по типам клеток и основным тканям и системам. Каждый квадрат «вафельной диаграммы» соответствует 1 г иммунных клеток. К «другому» относятся мозг, сердце, жировая ткань, скелетные мышцы, почки и т. д.
Всего в организме эталонного стандартного человека исследователи «насчитали» 1,2 кг иммунных клеток (95% ДИ: 0,8–1,9 кг).
Как и в случае с распределением по количеству, основная масса клеток приходится на костный мозг и лимфатическую систему — 30 % и 27 % от общей массы соответственно. На долю легких и печени выпадает примерно по 10 % массы иммунных клеток, а в крови их всего около 1 %. В ЖКТ, коже и других тканях содержатся оставшиеся 23 % от общей массы иммунных клеток.
Если оценивать вклад каждого типа клеток, то лимфоциты в целом составляют 40 % иммунных клеток организма и насчитывают около 7,6×1011 клеток (95% ДИ: 5–12×1011), причем на долю Т-клеток приходится 60 % лимфоцитов, а на долю В-клеток — около трети. Гранулоциты составляют 43 % иммунных клеток, или 8×1011 клеток (95% ДИ: 7–10×1011), причем нейтрофилы составляют более 80 % этих клеток (большинство «обитает» в костном мозге), оставшиеся 15 % приходятся на миелоидные типы клеток, большинство из которых — макрофаги, распределенные по различным тканям.
Распределение типов иммунных клеток по массе существенно отличается от их распределения по количеству, в основном за счет значительной вариации размеров клеток (см. рис. 4). Если большинство иммунных клеток относительно малы и имеют массу несколько сотен пикограммов, то макрофаги значительно крупнее — их масса составляет несколько нанограммов. Следовательно, на лимфоциты приходится лишь около 15 % массы иммунных клеток, что эквивалентно менее чем 200 г (95 % ДИ: 100–300). С другой стороны, макрофаги массой 600 г (95 % ДИ: 300–1 400) и дендритные клетки массой 100 г (95 % ДИ: 40–300) составляют 49 % и 9 % от общей массы иммунных клеток соответственно, что обусловлено в основном их более крупными размерами. Гранулоциты составляют около четверти всей массы иммунных клеток и весят примерно 320 г (95% ДИ: 240–420), причем две трети из них происходят из нейтрофилов, расположенных преимущественно в костном мозге.
Рисунок 4. Соотношение типов иммунных клеток в организме по количеству и массе.
Отталкиваясь от данных, полученных для стандартного эталона человека — мужчины 20–30 лет весом 73 кг, ученые рассчитали распределение иммунных клеток у эталонной женщины того же возраста массой 60 кг и у эталонного ребенка в возрасте 10 лет массой 32 кг с учетом их эталонных масс органов.
По оценкам, в организме референтной женщины насчитывается около 1 кг, или 1,5 триллиона (1,5×1012) иммунных клеток, в организме ребенка — около 600 г, или триллион (1×1012) иммунных клеток.
Несколько любопытных выводов
Распределение иммунных клеток по количеству и массе представляет собой интригующее сопоставление. Около 75 % иммунных клеток — это лимфоциты и нейтрофилы, которые являются одними из самых маленьких клеток в организме и весят всего несколько сотен пикограммов. Таким образом, их клеточная масса составляет лишь около 30 % от общей массы иммунных клеток. С другой стороны, макрофаги, дендритные и тучные клетки, которые в 3–10 раз крупнее, составляют менее 20 % иммунных клеток, но на их долю приходится более 60 % всей массы иммунных клеток.
А какой же самый большой иммунологический орган в организме человека?
В последнее время принято считать, что в ЖКТ сосредоточена большая часть иммунных клеток или, по крайней мере, лимфоцитов. Анализ показал, что наиболее значимыми иммунологическими органами являются костный мозг, лимфатические узлы и селезенка. В ЖКТ содержится около 3 % клеток иммунной системы и около 5 % лимфоцитов; таким образом, большая часть лимфоцитов не обитает в кишечнике. Но в кишечнике сосредоточено ≈70 % плазматических антителопродуцирующих клеток организма — таким образом, он является самым крупным отделом организма в отношении гуморальной системы. Аналогичная ситуация существует и для естественных киллеров, причем доминирующей является популяция печени (≈30 % NK-клеток).
Печень вообще уникальный внутренний орган с точки зрения иммунной системы. По оценкам авторов работы, ≈6 % от массы печени, составляющей 1,8 кг (для референтного человека), занимают клетки иммунной системы. Это согласуется с представлением о том, что помимо метаболических и детоксикационных функций печень выполняет роль иммунного барьера, противостоящего постоянному воздействию чужеродных антигенов, в первую очередь поступающих из кишечника.
Предыдущие исследования, посвященные изучению влияния пола на иммунную систему, определили его как основной фактор, воздействующий на общий состав иммунных клеток крови. По данным литературы, женщины демонстрируют более сильные иммунные реакции, чем мужчины, что частично объясняется влиянием половых гормонов, таких как эстроген и пролактин, на созревание В- и Т-лимфоцитов и увеличение выработки антител В-клетками. Однако для определения различий в распределении типов иммунных клеток по тканям организма потребуются более масштабные количественные данные, утверждают авторы статьи. Устранение этого пробела в знаниях позволит получить более тонкие оценки зависимости от пола.
Что касается влияния возраста, популяции иммунных клеток в костном мозге и лимфатической системе, согласно результатам, составляют почти 80 % иммунных клеток. Если сразу после рождения весь костный мозг активен, то уже в детстве эта активность снижается. Но несмотря на существенные изменения в распределении активного костного мозга в период созревания, процент общей массы тела, представленный активным костным мозгом, остается относительно стабильным на протяжении нескольких десятилетий.
Клеточное распределение в костном мозге претерпевает отчетливые изменения в течение первого года жизни, с этого момента и далее до зрелого возраста остается относительно постоянным. Старение же ведет к снижению численности и состава клеток костного мозга до 40 %, что потенциально может привести к снижению общей популяции иммунных клеток почти на 20 % и изменению их распределения.
Иммунная популяция лимфатической системы располагается преимущественно в селезенке и лимфатических узлах, меньшая часть — в тимусе. Масса селезенки пропорционально зависит от массы тела у детей и взрослых, а данные об изменении общей массы лимфатических узлов, к сожалению, отсутствуют. Тимус растет до полового созревания, а затем подвергается частичной инволюции, что приводит к возрастному снижению массы и плотности лимфоцитов. Учитывая относительно небольшой размер тимуса (менее 10 % лимфатической системы взрослого человека), его влияние на общую популяцию лимфоцитов в процессе старения незначительно.
Старение также влияет на популяции иммунных клеток в других системах. Исследования на животных демонстрируют зависимое от возраста увеличение популяции макрофагов в печени и жировой ткани в несколько раз, аналогичное увеличение наблюдается и в жировой ткани человека. Возрастные тенденции в отношении лимфоцитов, отмечаемые главным образом в крови, включают уменьшение количества наивных Т-клеток и увеличение количества терминально дифференцированных клеток, что, видимо, и способствует снижению эффективности вакцин. Однако общее количество циркулирующих лимфоцитов изменяется незначительно.
В недавно опубликованном обзоре (D. Mogilenko, I. Shchukina, M. Artyomov, Immune ageing at single-cell resolution. Nat. Rev. Immunol., 2022) обобщены данные исследований на мышах и людях и выявлены общие тенденции: с возрастом большинство популяций циркулирующих иммунных клеток снижается, за исключением моноцитов, количество которых увеличивается. Эти общие тенденции согласуются с данными лонгитюдного исследования состава иммунных клеток (A. Alpert et al., 2019), демонстрирующего специфические возрастные изменения состава как значимую метрику иммунного возраста, предсказывающую смертность от всех причин.
Возрастные изменения действительно приводят к значительному снижению иммунных клеток в костном мозге и, возможно, в других тканях, что наблюдается в крови. Аналогичным образом происходит увеличение количества миелоидных клеток в тканях и органах, таких как жировая ткань и печень. Однако для точной количественной оценки влияния старения на распределение иммунных клеток необходимы дальнейшие исследования.
При ожирении масса жировой ткани может легко увеличиваться в 2,5–3 раза. Например, у человека с тем же ростом, что и у референтного, но весящего на 50 кг больше, ИМТ будет составлять 40 кг/м2. Исследования на мышах и людях показывают, что плотность макрофагов жировой ткани линейно увеличивается при ожирении. Таким образом, общее количество макрофагов в жировой ткани возрастает на порядок. Ожирение является мультиорганным заболеванием, и изучение влияния ожирения на размер и состав иммунной системы требует учета подкожной и висцеральной жировой ткани, инфильтрации макрофагами скелетных мышц, изменений в составе костного мозга и прочих факторов.
Иммунная система динамична и построена таким образом, чтобы реагировать на изменение условий, например, на появление патогенных микроорганизмов. В ходе иммунного ответа на патоген нейтрофилы и моноциты мигрируют в очаг инфекции и взаимодействуют с резидентными макрофагами. Распределение нейтрофилов временно изменяется за счет миграции маргинальных пулов, существующих в селезенке и костном мозге. В дальнейшем оно изменяется за счет увеличения скорости продукции нейтрофилов в костном мозге и продления их жизни под влиянием иммунного ответа.
Изменения в популяции лимфоцитов происходят в ответ на инфекцию, рак или другие заболевания. Если считать, что диаметр лимфатического узла при лимфаденопатии увеличивается в 2–2,5 раза (диаметр здоровых лимфатических узлов обычно не превышает 1 см), то его объем возрастает в 8–15 раз, и если процесс будет локализован в пределах 10 лимфатических узлов (около 2 % от общего числа лимфатических узлов в организме), то можно ожидать увеличения числа лимфоцитов в лимфатических узлах на 20 % (или на 10 % от общего числа лимфоцитов).
Спленомегалия (увеличение селезенки, вызванное, например, инфекционным мононуклеозом) может увеличить объем селезенки в 2 раза, что приведет к «разрастанию» лимфатической системы более чем на 30 %, повысив общее количество иммунных клеток на 10 %, а массу иммунной системы — на 5–10 %.