Elimistössämme on yli kilometriä

Transkriptio

1 Immunologia Valkosolun tie tulehduspaikalle Marko Salmi ja Risto Renkonen Valkosolujen täytyy siirtyä verenkierrosta kudokseen huolehtiessaan ihmisen immuunipuolustuksesta. Ne tarttuvat verisuonten endoteelisoluihin ja kulkevat suonen seinän läpi kudoksiin monivaiheisen vuorovaikutusketjun avulla. Lukuisat tarttumis- ja aktivaatiomolekyylit valkosolun ja verisuonen sisäpintaa verhoavan endoteelin pinnalla säätelevät tätä solujen liikettä. Granulosyytit kulkevat verestä tulehdusalueille vain kerran elämänsä aikana, kun taas lymfosyytit kiertävät jatkuvasti veren ja kudosten välillä etsimässä spesifisiä antigeenejaan. Valkosoluliikenteen häiriöt näkyvät immuunipuutoksina ja toisaalta epätarkoituksenmukaisena tulehdusreaktiona esimerkiksi autoimmuunitaudeissa, kudoshyljinnässä ja iskemiareperfuusiovauriossa. Valkosoluliikenteen salpaajista yritetään kehittää uudentyyppisiä tulehduslääkkeitä, jotka estäisivät valkosolujen haitallisen kertymisen tulehdusalueille kudosspesifisesti ja nykylääkkeitä vähemmin haittavaikutuksin. Elimistössämme on yli kilometriä verisuonia, joissa virtaa noin lymfosyyttiä ja suunnilleen saman verran granulosyyttejä. Valkosolut etenevät pientenkin suonten sisällä (hiussuonia lukuun ottamatta) sata kertaa oman läpimittansa sekunnissa. Granulosyyttien tehtävänä on toimia ensilinjan puolustuksessa ja siirtyä nopeasti tulehdusalueille tuhoamaan bakteerit tai muut tunkeilijat. Lymfosyytit kohtaavat vielä vaikeamman haasteen. Aktivoituakseen ja osallistuakseen puolustukseen kunkin lymfosyytin pitäisi kyetä löytämään se yksi ainoa spesifinen antigeeni, jota vastaan se pystyy reagoimaan. Toisin sanoen koko elimistössämme on vain yksittäisiä tai muutamia kymmeniä lymfosyyttejä, jotka kykenevät tunnistamaan tietyn antigeenin, kuten influenssaviruksen pintaproteiinin. Toisaalta antigeenit olivat ne sitten bakteereja, viruksia, allergeeneja tai muita vieraita rakenteita voivat tunkeutua elimistöömme minkä tahansa epiteelipinnan läpi. Näitä pintoja on ruoansulatuskanavassa 400 m 2, hengitysteissä 100 m 2 ja ihollakin 2 m 2. Miten siis halkaisijaltaan alle kymmenen mikrometrin kokoinen valkosolu voi löytää suonipuustosta oikean kohdan kudokseen siirtymiseen? Miten se pystyy vastustamaan verivirran rajua voimaa? Miksi granulosyytit vaeltavat kaihileikkauksessa silmään tehtävään steriiliin leikkaushaavaan? Ja mitä pikkuvarpaassa tapahtuu, kun kesämökin laiturista irronnut tikku aiheuttaa siinä tulehduksen? Immuunipuolustus rajaa taistelutantereen Lymfosyyttien ja granulosyyttien liikenteessä kudoksiin on yksi perusero. Granulosyytit poistuvat verenkierrosta vain kerran elämänsä aikana ja ainoastaan tulehtuneisiin kudoksiin. Lymfosyytit puolestaan kiertävät jatkuvasti sekä normaalien (eniten imukudosten kautta) että tulehtuneiden kudosten ja veren välillä (kuva 1A). Keskitymme seuraavassa siihen, miten valkosolut menevät kudokseen sisään, mutta on tärkeää muistaa, että tulehdusvastetta säätelee yhtä lailla leukosyyttien kohtalo kudoksessa ja niiden poistuminen imuteiden kautta (kuva 1B) (Nathan 2002). Duodecim 2003;119:

2 Kudoksen infektio tai tulehdus aktivoi välittäjäaineiden kautta alueen verisuonia ja erityisesti pieniä laskimoita. Näin veressä kiertävät granulosyytit»näkevät» hiussuonen jälkeiseen laskimoon tullessaan endoteelisolun muuttuneen pinnan, joka viestittää liikennemerkin tavoin suonen ulkopuolella ilmenneestä vaarasta ja ohjaa granulosyytit vaurioalueelle (Cines ym. 1998). Lymfosyytin ja sille spesifisen antigeenin sattumanvarainen kohtaaminen missä tahansa elimistössä ei voi alussa kuvattujen mittasuhteidenkaan valossa olla perustana hankinnaisen immuunipuolustuksen menestyksekkäälle toiminnalle. Niinpä evoluution aikana ns. sekundaariset imukudokset, kuten perifeeriset imusolmukkeet ja suolen Peyerin levyt, ovat erilaistuneet palvelemaan antigeenien ja lymfosyyttien kohtauspaikkana (Salmi ja Jalkanen 1997, von Andrian ja Mackay 2000, Muller 2002). Epiteelipinnoilta tulevat antigeenit keräytyvät ja haravoituvat tarvittaessa tuovien imuteiden kautta näihin organisoituneisiin imukudoksiin, ja toisaalta naiivien lymfosyyttien jatkuva fysiologinen partiointiliikenne keskittyy myös niihin (kuva 2). Niinpä esimerkiksi salmonellabakteerit keräytyvät suolesta epiteelin läpi Peyerin levyihin lymfosyyteille esiteltäviksi. Samaan aikaan Peyerin levyihin vaeltaa jatkuvasti uusia T- ja B-lymfosyyttejä verestä postkapillaaristen pikkulaskimoiden kautta, joissa endoteelisolut ovat korkeita ja jotka ovat erilaistuneet rakenteeltaan ja toiminnaltaan turvaamaan lymfosyyttien tehokkaan sitoutumisen ja läpikulun. Jos lymfosyytti ei löydä imusolmukkeessa omaa antigeeniaan, se poistuu vievien imuteiden kautta takaisin verenkiertoon ja jatkaa sattumanvaraista vaellustaan muihin sekundaarisiin imukudoksiin (kuva 2). Jos se sen sijaan kohtaa imusolmukkeessa kohdeantigeeninsa sopivassa esittelyssä, se aktivoituu ja alkaa jakaantua ja erilaistua. Näin syntyneet immunoblastit ja muistisolut palaavat vievien imuteiden kautta takaisin verenkiertoon. Aktivoitumisen aikana solut ovat kuitenkin leimautuneet niin, että ne eivät enää sattumanvaraisesti poistu verenkierrosta missä tahansa vaan palaavat takaisin samaan imusolmukkeeseen tai sen huoltamaan perifeeriseen epiteelipintaan. Tämä leimautuminen kohdentaa immuunivasteen niihin kudoksiin, joissa siitä on oletettavasti eniten hyötyä. Esimerkkitapauksessamme aktivoituneet tappajaja auttaja-t-solut ja salmonellavasta-aineita erittävät B-solut ja myöhemmin muistisolut ohjautuvat suolen limakalvolle taistelemaan hyökkääjää vastaan sen sijaan, että ne matkaisivat ihoon tai keuhkoon, joissa salmonellojen kohtaaminen on varsin epätodennäköistä. A B Kuva 1. Tulehduspaikan valkosoluliikenne. A) Granulosyytit ja lymfosyytit eroavat toisistaan toiminnaltaan ja kiertokulkuominaisuuksiltaan. Granulosyytti poistuu verestä vain tulehdusalueelle ja kuolee sinne. Lymfosyytit partioivat jatkuvasti sekä terveiden että tulehtuneiden kudosten ja veren välillä. B) Tulehdusreaktion valkosoluinfiltraatin määrä ja laatu määräytyvät solujen sisäänmenon, hengissä pysymisen ja poistumisen yhteisvaikutuksena. 782 M. Salmi ja R. Renkonen

3 Sitoutumisketju auttaa valkosolun ulos verenkierrosta Veressä kiitävään valkosoluun kohdistuu melkoinen virtausvoima, joka solun on voitettava kiinnittyäkseen suonen sisäseinään uloskulkua varten. On arvioitu, että voima vastaa tilannetta, joka vallitsee 500 litraa sekunnissa nopeudella 200 km/h suihkuttavan, yli sadan metrin korkuisen vesipatsaan nostattavan suihkulähteen suuaukolla (von Andrian ja Mackay 2000). Niinpä monivaiheinen, tarkan säätelyn alainen adheesioketju ohjaa normaalisti granulosyyttien ja lymfosyyttien vuorovaikutuksia verisuonen pinnalla (Salmi ja Jalkanen 1997, von Andrian ja Mackay 2000, Muller 2002) (kuva 3A). Ensimmäisessä vaiheessa keskivirrasta poukkoileva valkosolu solmii lyhytaikaisia tunnustelevia kontakteja (tethering) endoteelin kanssa. Nämä voivat johtaa valkosolun pyörimiseen endoteelia pitkin virtauksen työntämänä. Jos valkosolu aistii sopivia herätteitä suonen seinämästä, se voi aktivoiduttuaan sitoutua hyvin tukevasti suonen pintaan. Sen jälkeen paikalleen pysähtynyt solu etsii endoteelisolujen välisen liitoksen, josta se porautuu kudoksen puolelle. Kudoksessa solu jatkaa vaellustaan kohti tulehduspesäkettä tai tiettyä imukudoksen aluetta. Nämä valkosolun ekstravasaation eri vaiheet on havainnollisimmin osoitettu videoavusteisella intravitaalimikroskopialla, jolla solujen käyttäytymistä voidaan havainnoida elävässä eläimessä tai viime aikoina jopa potilaissa fysiologisissa verenvirtausoloissa (Kirveskari ym ja 2002) (video nähtävissä Internet-osoitteessa www. helsinki.fi/science/rdd/renkonen/publications. html). Kuva 2. Lymfosyyttien kiertokulkutiet veren ja kudosten välillä. Naiivit lymfosyytit kiertävät jatkuvasti veren ja imukudosten (perifeeriset imusolmukkeet (PLN), Peyerin levyt (PP) ja perna, joka siivilöi veren antigeenit) välillä. Antigeenit keräytyvät yleensä afferenttien imuteiden välityksellä perifeerisistä kohde-elimistä sekundaarisiin imukudoksiin. Niissä antigeeninsa tunnistavat lymfosyytit aktivoituvat klonaalisesti. Kaikki lymfosyytit palaavat systeemiverenkiertoon efferenttien imuteiden kautta. Naiivit solut jatkavat kiertoaan uusiin imukudoksiin. Aktivoituneiden solujen kierto-ominaisuudet ovat ohjelmoituneet uudelleen niin, että ne hakeutuvat selektiivisesti takaisin niihin imukudoksiin jossa ne aktivoituvat. Lisäksi ne pääsevät myös hyökkäyksen kohteeksi joutuneeseen perifeeriseen kudokseen. Ei-lymfaattisiin kohde-elimiin (kuvassa vain muutama esimerkki ja selkeyden vuoksi ilman suonia) kulkee siis vain aktivoituneita lymfosyyttejä ja pääasiassa ainoastaan tulehdustilanteessa. Verenkiertoa, sekundaarisia imukudoksia ja kaikkia muita elimiä voidaan siis ajatella kolmena sisäkkäisenä kehänä, jonka ulommille tasoille aina vain harvemmilla lymfosyyteillä on pääsy. Valkosolun tie tulehduspaikalle 783

4 Tarttumis- ja houkutinmolekyylit muodostavat valkosoluliikenteen suuntanumeron Molekyylitasolla lukuisat tarttumis- ja signalointimolekylit valkosolun ja verisuonen pinnalla osallistuvat ekstravasaation eri vaiheisiin (kuva 3A). Alkuvaiheen dynaamisista kontakteista huolehtivat pääasiassa selektiinit ja musiinit, joiden toiminta riippuu tyypillisesti oikeasta glykosylaatiosta (Ley 2002). Esimerkiksi leukosyytin pinnalla oleva L-selektiinitarttumisreseptori tunnistaa endoteelin pinnan vastinmolekyylissään sulfosialyyli-lewisx-sokerirakenteen. Tämän sokeriketjun on sisällettävä juuri oikeassa asemassa fukoosia, siaalihappoa ja sulfaattia, jotta se on toiminnallinen lymfosyyttien tunnustelu- ja pyörimisvaiheen välittäjänä (Lowe 2002, Renkonen ym. 2002) (kuva 3). Aktivaatiovaiheessa kemokiinit (kemotaktiset sytokiinit) ovat tärkeimpiä signaaleja (Moser ja Loetscher 2001, Kunkel ja Butcher 2002). Nämä pienet liukoiset kudoksesta erittyvät proteiinit tarttuvat endoteelisolun pinnalla sojottaviin proteoglykaaneihin, joissa ne ovat hyvin tarjolla ohi pyöriville valkosoluille. Ihmisestä on löydetty noin 50 eri kemokiinia, ja osa niistä esiintyy vain spesifisissä kudoksissa. Esimerkiksi SLC-kemokiini esiintyy vain perifeeristen imusolmukkeiden laskimoiden pinnalla ohjaamassa lymfosyyttien fysiologista kiertokulkua. Kemokiinin sitoutuminen G-proteiinilinkattuun valkosolun pintareseptoriin laukaisee signaalinvälitysketjun, minkä seurauksena valkosolu sitoutuu tiukasti endoteeliin ja aloittaa vaelluksensa endoteelin läpi (transmigraatio). Tässä viimeisessä vaiheessa ovat keskeisiä valkosolujen integriinit ja niiden immunoglobuliinien suurperheeseen kuuluvat vastinkappaleet endoteelilla (Shimizu ym. 1999). Integriinejä on normaalistikin inaktiivisessa muodossa kaikkien valkosolujen pinnalla, joten juuri aktivaatiovaihe (niiden ryhmittymisen tai rakenteen muutos) on ratkaiseva niiden toiminnan säätelyssä. Esimerkiksi CD11a/CD18 (LFA-1-integriini) on keskeinen valkosolujen tiukassa sitoutumisessa ja transmigraatiossa. Verisuonen seinän läpi porautumisessa tarvitaan myös proteolyyttisiä entsyymejä, mutta tämän vaiheen yksityiskohdat tunnetaan vielä huonosti (Worthylake ja Burridge 2001). Emigroituneen solun liikettä kudoksessa ohjaa edelleen kemotaktisten aineiden kenttä. Näitä aineita vapautuu tulehdusalueella mm. bakteeri-infektion, kudostuhon tai antigeenia syövien solujen aktivaation seurauksena, ja imukudoksissa tiettyjä kemokiineja erittyy normaalistikin ohjaamaan solujen matkaa kohti imusolmukkeen T- ja B-solualueita. Adheesiokaskadissa on keskeistä se, että jokaisen vaiheen on tapahduttava menestyksellisesti oikeassa järjestyksessä, jotta lopputuloksena on valkosolun siirtyminen verestä kudokseen. Moniportaisen järjestelmän tunteminen auttaa ymmärtämään myös kudosspesifistä valkosoluliikennettä. Jokaisella kudoksella ei tarvitse olla ainutlaatuisia tarttumis- ja aktivaatiomolekyylejä, vaan samojen molekyylien eri yhdistelmistä muodostuu molekyylitasolla vuorovaikutusten sarja, joka toimii kudoksen spesifisenä suuntanumerona (Salmi ja Jalkanen 1997, von Andrian ja Mackay 2000, Ruoslahti ja Rajotte 2000). Granulosyytit eivät esimerkiksi pääse imusolmukkeeseen, vaikka ne ilmentävät sopivaa selektiiniä ja integriiniä, koska niiltä puuttuu imusolmukeliikennöintiin tarvittava aktivaatiovaiheen kemokiinireseptori (kuva 3B). Tulehdusalueelle neutrofiilit pystyvät kuitenkin siirtymään, koska ne ilmentävät muita kemokiinireseptoreita, joihin tulehdustilanteissa erittyvät kemokiinit sitoutuvat. Eosinofiililla puolestaan on pinnallaan toisenlainen kemokiinireseptorivalikoima, ja se on erityisen herkkä eotaksiinikemokiinin vaikutuksille. Koska eotaksiinia vapautuu tyypillisesti allergisissa tiloissa, kuten astmassa, tällaiselle tulehdusalueelle syntyy eosinofiilivoittoinen infiltraatti. Adheesiomolekyylien puutokset johtavat immuunivajaustiloihin Adheesiokaskadin toiminnan tärkeyden ihmisen terveyden ylläpitäjänä osoittanee se, että tämän toiminnan perinnölliset puutokset ovat hyvin harvinaisia. Kyseisten adheesiomolekyylien synnynnäinen puutos aiheuttaa hyvin vakavia, immuunivajavuuden oirein ilmeneviä taudinkuvia 784 M. Salmi ja R. Renkonen

5 A Tunnustelu Rollaus Aktivaatio Tarttuminen Transmigraatio Kemotaksis kudoksessa Veri Suoni Selektiinit, musiinit Kudos Integriinit, Ig-suurperhe Kemokiinit, G-proteiinireseptorit Kemokiinit, G-proteiinireseptorit B Lymfosyytti Granulosyytti L-selektiini LFA-1 CCR7 Proteoglykaani SLC CD34- sulfo-slex Suuntanumero siirtyy kudokseen ICAM-1 + Suuntanumero jatkaa veressä Perifeerisen imusolmukkeen korkeaendoteelinen laskimo Kuva 3. Adheesiokaskadi. Adheesioketju säätelee leukosyyttien ekstravasaatiota. A) Leukosyytti-endoteelisolukontaktien eri vaiheet ja niissä toimivat tärkeimmät molekyyliperheet (Ig = immunoglobuliini). Eri molekyylien toimintavaiheet ovat osin päällekkäisiä. B) Valkosoluliikenteen suuntanumerot koostuvat tarttumis- ja aktivaatiomolekyylien sarjoista. Esimerkki havainnollistaa, miten lymfosyytti kykenee siirtymään verestä imusolmukkeeseen käyttämällä peräkkäin selektiiniä (L-selektiini), kemokiinireseptoria (CCR7) ja integriiniä (LFA-1, leukocyte function associated antigen-1 = CD11a/CD18) tunnistaessaan endoteelin pinnalta näiden reseptorien vastinkappaleet (CD34-molekyylin sulfosialyyli-lewisx-sokerin, proteoglykaanin esittelemän SLC-kemokiinin (secundary lymphoid chemokine) tai immunoglobuliiniperheen ICAM-1:n (intercellular adhesion molecule-1). Vaikka granulosyyttikin ilmentää L-selektiiniä ja LFA-1:tä, sopivan kemokiinireseptorin puute granulosyytin pinnalla aiheuttaa sen, että tämä solutyyppi ainoastaan pyörii suonen pinnalla eikä pysty aktivoitumaan ja siirtymään kudokseen. Valkosolun tie tulehduspaikalle 785

6 Taulukko 1. Adheesiopuutokset (LAD = leukocyte adhesion deficiency). LAD1 LAD2 Syy CD18:n ilmentymispuutos fukosylaatiopuutos Laboratoriolöydökset neutrofilia kyllä kyllä CD18:n ilmentyminen puuttuu tai huomattavasti vähentynyt normaali sulfo-slexin ilmentyminen normaali puuttuu granulosyyttien tunnustelu ja pyörintä normaali huomattavasti vähentynyt granulosyyttien adheesio huomattavasti vähentynyt normaali Kliiniset löydökset toistuvat bakteeri-infektiot kehityshäiriöt ei kyllä (Bunting ym. 2002). Kaksi tärkeintä adheesiomolekyylipuutosta LAD1 ja LAD2 (leukocyte adhesion deficiency) syineen ja oireineen on esitetty taulukossa 1. Nämä ihmisen taudit muistuttavat läheisesti tiloja, joita esiintyy poistogeenisillä eläimillä samojen adheesiomolekyylien toimimattomiksi tekemisen seurauksena. Väärin ohjautunut valkosoluliikenne aiheuttaa haitallisia tulehdustauteja Valkosoluliikenne on kehittynyt ensisijaisesti torjumaan mahdollisimman koordinoituneesti erilaisia infektioita. Kaikkien veren valkosolutyyppien liikenne tulehtuneeseen kudokseen tapahtuu periaatteessa saman monivaiheisen ekstravasaatiokaskadin kautta, vaikka yksittäisten tarttumis- ja aktivaatiomolekyylien osuus vaihteleekin solutyyppikohtaisesti. Jo parin minuutin kuluttua vaurioalueelle ilmestyy granulosyyttejä. Monosyyttejä alkaa kertyä tulehdusalueelle muutamassa tunnissa, kun taas lymfosyyttien aktivoitumis- ja kiertokulkuominaisuudet aiheuttavat sen, että ne ilmestyvät paikalle tyypillisesti vasta parin vuorokauden kuluttua tulehdusreaktion käynnistymisestä. Näiden synkronoituneiden valkosoluaaltojen ansiosta synnynnäisen immuniteetin solutyypit (kuten granulosyytit ja monosyytit) pääsevät hyökkäämään tunkeutujan kimppuun heti, ja samalla käynnistyy lymfosyyttipohjainen antigeenispesifinen hankinnainen immuunivaste. Valkosoluliikenne voi kuitenkin olla myös haitallista (Salmi ja Jalkanen 1997, Robert ja Kupper 1999, von Andrian ja Mackay 2000). Tyypillisiä esimerkkejä tällaisista tiloista ovat autoimmuunitaudit. Esimerkiksi tyypin 1 diabeteksessa, tulehduksellisissa suolistosairauksissa, psoriaasissa ja reumassa lymfosyyttejä kertyy kudokseen ilman näkyvää syytä. Tällaiset aktivoituneet lymfosyytit voivat reagoida ristiin elimistön omien rakenteiden kanssa ja saada aikaan huomattavaa tuhoa ja noidankehämäisen kroonisen tulehdusreaktion, joka lopulta tuhoaa kohde-elimen. Elinsiirron jälkeen valkosoluliikenne toimii aivan järkevällä tavalla tuhotessaan vierasta kudosta, mutta silti se on potilaan kannalta äärimmäisen epätoivottavaa. Iskemiareperfuusiovaurio eli suonen tukoksen laukeamisen jälkeen verenkierron palatessa syntyvä lisätuho taas on esimerkki tilanteesta, jossa granulosyyttien ekstravasaatio hapenpuutteesta kärsivälle alueelle pahentaa huomattavasti kudostuhoa. Olisiko adheesiomolekyylien tuntemusta mahdollista käyttää kliinisesti hyväksi? Spesifisten adheesiokaskadien selviäminen on herättänyt suurta kiinnostusta uusien lääketieteellisten sovelluksien kehittämiseen. Useimmista valkosolun ja endoteelisolun pinnan adheesiomolekyyleistä hilseilee plasmaan liukoisia muotoja (Marshall ja Haskard 2002). Näiden pitoisuuden määrittämistä on yritetty hyödyntää erilaisten tulehdustautien aktiivisuuden arvioimisessa, koska niiden on ajateltu heijastavan verisuonen pintaendoteelin aktivaatiotilaa. 786 M. Salmi ja R. Renkonen

7 Toistaiseksi kuitenkin on todettava, että useimpien liukoisten adheesiomolekyylien määrät kasvavat epäspesifisesti useimmissa tulehdustaudeissa, ja kliinisesti hyödyllisten mittausten käyttöalueet eivät vielä ole selkiintyneet. Koska tietyt adheesiomolekyylit ilmestyvät endoteelin pinnalle ainoastaan tulehdustilanteissa, niitä on käytetty kuvantamiskohteina (Marshall ja Haskard 2002). Esimerkiksi E-selektiiniin kohdistuvalla radioaktiivisesti merkityllä monoklonaalisella vasta-aineella on pystytty kuvantamaan tulehtuneita niveliä. Periaatteessä tällaiset menetelmät ovat helppoja, edullisia ja turvallisia leukosyyttikartan korvaajia tuntemattoman tulehduspesäkkeen etsinnässä, mutta niidenkin yleistyminen kliiniseen käyttöön vienee aikaa. Ehkä suurimmat adheesiomolekyylien hyötykäyttöä koskevat toiveet ovat kohdistuneet antiadhesiivisen terapian kehittelyyn (Harlan ja Winn 2002, Marshall ja Haskard 2002). Myös monet käytössä olevat lääkkeet (esim. glukokortikoidit, steroideihin kuulumattomat tulehduskipulääkkeet, statiinit ja TNF-α:n salpaajat) moduloivat adheesiomolekyylien ilmentymistä ja toimintaa. Uusien menetelmien tavoitteena on salvata täysin spesifisesti vain adheesioreseptorin ja sen ligandin välinen vuorovaikutus, jolloin tarttumiskaskadi katkeaisi ja leukosyytin haitallinen siirtyminen kudokseen estyisi. Yksittäisiä esimerkkejä eri strategioin tehdyistä menestyksekkäistä eläintutkimuksista on kerätty taulukkoon 2. Siihen on myös listattu joitakin kliinisiä kokeita, joiden perusteella voidaan yleistäen todeta, että muutamissa lymfosyyttivaltaisissa kroonisissa tulehdustaudeissa on saatu viime aikoina rohkaisevia tuloksia, vaikka kaikki granulosyyttiliikenteen salpauskokeet ovat toistaiseksi epäonnistuneet. Ensimmäisenä markkinoille saattavat ehtiä humanisoidut α4-integriinivastaaineet, jotka salpaavat soluliikennettä tehokkaasti ainakin multippeliskleroosissa ja Crohnin taudissa (von Andrian ja Engelhardt 2003). Kohti valkosoluliikenteen systeemibiologista ymmärtämistä Lukuisien lääkeyritysten suuresta panostuksesta huolimatta useimmat valkosoluliikenteen säätelyä rajoittavista hoitomuodoista eivät ole osoittaneet toimiviksi potilaskokeissa. Kuilu prekliinisten ja potilaskokeiden menestyksen välillä koskee yhtä lailla esimerkiksi anti-angiogeneettisiä syövän hoitoja tai aivoiskemian lääkehoitoa. Miksi siis potilaat eivät ole parantuneet odotetusti? Ristiriitaisten tulosten syyksi on tarjottu totunnaisesti eroja ihmisen ja hiiren adheesiomolekyylien ilmentymisessä ja toiminnassa, koeeläimen tautimallin ja kliinisen taudin vastaavuudessa sekä hoidon aloituksen ajankohdassa. Perussyynä on kuitenkin biolääketieteellisen tiedon pirstaleisuus ja vähäisyys, joka estää todellisen, taudin patogeneesiin varmasti pureutuvan rationaalisen lääkekehittelyn (Oltvai ja Barabasi 2002). Viime vuosisadalla tutkimushypoteesit olivat käytännön pakostakin reduktionistisia. Vaikka ne tuottivat paljon korvaamatonta perustietoa, vasta nyt reduktionismin rinnalle nouseva systeemibiologia on mahdollistanut osaluetteloiden lisäksi ylempien hallintatasojen säätelykerrosten ymmärtämisen (kuva 4) (Mäkelä ja Porkka 2002). Korkeimmalla tasolla biologisen systeemin säätely muistuttanee mm. tieto- ja teletekniikasta tuttuja hyvin komplekseja verkostomalleja. Pystymme nykyään luomaan ja keräämään tietoa nopeasti, mutta ymmärryksemme biologisten systeemien toiminnasta ei lisäänny samaa vauhtia. Vertauksena voisimme ajatella autoa: vaikka hajottaisimme sen osiin ja laatisimme niistä täydellisen luettelon, emme pystyisi sen avulla ymmärtämään, miten kokonaisuus toimii, jos meillä ei ole hierarkkista tietoa siitä, miten eri osat säätelevät toisiaan. Tarvitsemme siis sekä valtavan määrään korkeatasoisia tutkimustuloksia että laajaa tieteidenvälistä yhteistyötä (biomedisiiniset osaajat, bioinformaatikot, insinöörit, matemaatikot ja ohjelmoijat) systeemibiologisen ymmärtämyksen kartuttamiseksi. Valkosoluliikenteen tutkimuksessakin on useita syitä pyrkiä laajentamaan nopeasti tutkimusstrategioita tähän suuntaan. Monet uudet tehoseulontatekniikat mahdollistavat suurien näytemäärien ja tuhansien kohdemolekyylien yhtäaikaisen analysoinnin niin lähetti-rna-, proteiini- kuin metaboliittitasollakin. Nykyisin pysty- Valkosolun tie tulehduspaikalle 787

8 Taulukko 2. Anti- ja proadhesiivisia hoitostrategioita. Ihmiskokeita koskevat kohdat lihavoitu. Esimerkit koottu viitteissä luetelluista katsausartikkeleista. Hoito Kohde Tauti Teho Vasta-aine (estää reseptorin toiminnan) rotan mab α4β1-integriini (VLA-4) kokeellinen autoimmuunienkefaliitti (hiiri) 75 %:n vähenemä paralyysissä humanisoitu mab (natalitsumabi) VLA-4 multippeliskleroosi (vaihe 2) 90 %:n vähenemä uusissa leesioissa rotan mab CD11a viivästynyt yliherkkyys 80 %:n vähenemä ihoinfiltraatiossa humanisoitu mab (efalitsumabi) CD11a psori-ihottuma (vaihe 3) 50 %:n vähenemä kliinisessä aktiivisuudessa Oligosakkaridit (liukoisena kilpailevat pintareseptorin sokeriosien kanssa vastinmolekyylistä) slex-sokeri P-selektiini iskemia-reperfuusiovaurio (rotta) 60 %:n vähenemä neutrofiilikertymässä slex-sokeri P-selektiini sydäninfarkti (vaihe 2) ei tehoa Reseptorianalogi (liukoinen reseptori kilpailee solunpinnan reseptorin kanssa vastinmolekyylistä) liukoinen PSGL-1 (kimeera) PSGL-1 infarkti (kissa) 60 %:n vähenemä iskemia-reperfuusiovauriossa liukoinen PSGL-1 (kimeera) PSGL-1 sydäninfarkti (vaihe 2) ei raportoitu Antisense-oligonukleotidi (estää lähetti-rna synteesin) ICAM-1 suolitulehdus (hiiri) 40 % parempi kliininen tila ICAM-1 Crohnin tauti (vaihe 3) ei tehoa Peptidiantagonisti (estää reseptorin toiminnan) peptidiantagonisti MCP-1-kemokiini artriitti (hiiri) estää synnyn Pienimolekyylinen lääkeaine (estää reseptorin toiminnan) nonpeptidiantagonisti (BX-471) CCR1-kemokiinireseptori kokeellinen autoimmuunienkefaliitti (rotta) 50 %:n paraneminen kliinisessä kuvassa Geeniterapia (korvataan toimimaton geeni) (retrovirus) CD18 LAD-1 (ihminen, in vitro) CD18:n normaali toiminta mab = monoklonaalinen vasta-aine, VLA-4 = very late activation antigen-4, PSGL-1 = P-selektiiniglykoproteiiniligandi 1 (P-selektiinin vastinmolekyyli), ICAM-1 = intercellular adhesion molecule-1 (CD11a:n vastinmolekyyli), MCP = monosyyttien kemotaktinen proteiini 788 M. Salmi ja R. Renkonen

9 tään myös selvittämään mm. proteiinikompleksien rakennetta, proteiinien solunsisäistä paikantumista ja signalointimoduulien toimintaa. Näin voidaan toivottavasti oppia ymmärtämään sitä tapahtumaketjujen vyöryä, joka käynnistyy valkosolun koskettaessa endoteelia ja huipentuu solun siirtymiseen tulehtuneeseen kudokseen. Jos myös antiadhesiivisten lääkkeiden kehityksen kohteet valitaan tulehdusverkon osista eikä pelkästään yksittäisistä reseptoreista tai entsyymeistä, meillä on paremmat mahdollisuudet estää korvaavien molekyylien toiminta ja lääkehoidon jääminen tehottomaksi. Lopuksi Mitä siis tapahtuu silmään tehdyssä haavassa ja miten tulehdusreaktio syntyy tikun työntyessä varpaaseen? Steriili kirurginenkin haava saa aikaan kudostuhoa, ja vaurioituneista soluista vapautuu välittäjäaineita, jotka laukaisevat tulehduksen. Näiden yhdisteiden vaikutuksesta silmän laskimoiden sisäpinnalle indusoituu adheesiomolekyylejä. Veressä ohi kiitävät granulosyytit huomaavat tämän signaalin ja alkavat pyöriä hitaammin suonen pinnalla tarttumismolekyylien avulla. Samalla ne altistuvat aktivaatiosig- Valkosolujen meno ja poistuminen normaaleihin ja tulehtuneisiin kudoksiin VALKOSOLULIIKENNE YLEINEN Leu3 LEU1 BAT1 ILV2 ATP ADP ATP ADP ATP ADP UMP UDP UTP CTP Systeemitaso Esim. auttaja-t-solun kotiutuminen suoleen, granulosyyttien kulku tulehtuneeseen ihoon Funktionaaliset modulit Adheesiomolekyylin ilmentymisen säätely, virtausvoimat, sokerirakenteen synteesi, kemotaksis ym. Mg 2+ Mg 2+ Mg 2+ Säätelyverkot Adheesiomolekyylit, solutyypit, signalointiproteiinit, tulehduksen välittäjäaineet ym. Geenit, lähetti-dna, proteiinit, soluelimet Osaluettelot Kuva 4. Systeemibiologian merkitys valkosoluliikenteen ymmärtämisessä. Yleisesti osaluettelot koostuvat biologisen tiedon perusyksiköistä mutta ovat eri eliöillä ja osakokonaisuuksissa erilaisia. Ylemmillä portailla systeemin hierarkkisuus alkaa selvitä ensin säätelyverkkojen (esimerkkinä metaboliset reaktiotiet) ja sitten erilaisten toiminnallisten moduulien avulla. Valkosoluliikenteen systeemibiologisen tarkastelun kannalta eri tasoilta on annettu muutamia spesifisempiä esimerkkejä. Valkosolun tie tulehduspaikalle 789

10 naaleille, tarttuvat lujasti kiinni vauriokohdan suoneen ja luikertelevat kudoksen puolelle. Kudoksessa ne vapauttavat tappavan lastinsa (proteolyyttiset entsyymit, happiradikaalit yms.) tuhotakseen kuvitellun tunkeutujan ja samalla tuhoutuvat itsekin. Tämä epätarkoituksenmukainen tulehduksellinen solutuho näkyy kliinisesti silmän punoituksena kaihileikkauksen jälkeen. Tikun työntyminen varpaaseen aktivoi samanlaisen granulosyyttien ekstravasaation ihossa. Tässä tapauksessa tulehdusreaktiota ruokkivat mukana tulleet bakteerit ja muu vieras materiaali, jotka joutuvat ihossa dendriittisolujen syömiksi. Aktivoituneet dendriittisolut kulkevat imuteitten kautta jalan paikallisiin imusolmukkeisiin, joissa ne esittelevät antigeenit imusolmukkeen kautta säännöllisesti kiertävälle lymfosyyttivalikoimalle (ks. Hänninen ja Vakkila, tässä numerossa). Ne harvat lymfosyytit, jotka tunnistavat imusolmukkeessa oman antigeeninsa, pysähtyvät sinne ja alkavat aktivoitua ja jakaantua. Näin syntyneet solut palaavat vievien imuteiden kautta systeemiverenkiertoon, mutta niiden adheesioprofiili on muuttunut niin, että solut hakeutuvatkin toimintavalmiina spesifisesti takaisin tulehtuneeseen ihoon. Näin muutamien päivien kuluttua tulehdusvasteeseen liittyvät spesifisestä immuniteetista huolehtivat joukot. Osa näistä lymfosyyteistä muuttuu pitkäikäisiksi muistisoluiksi, jotka jäävät vähälukuisina kiertelemään ihon ja veren välillä ja ovat valmiina reagoimaan tehokkaasti heti, jos samanlaisia antigeeneja ilmestyy uudelleen. Ydinasiat Valkosoluliikenne Antigeenit keräytyvät epiteelipinnoilta imuteitä pitkin imusolmukkeisiin, joihin lymfosyytit konsentroituvat verenkierrosta. Tulehduksenvälittäjäaineet lisäävät ja aktivoivat tarttumisreseptoreita endoteelin ja valkosolun pinnalla. Valkosolut siirtyvät verestä kudokseen monivaiheisen adheesiokaskadin avulla. Tarttumis- ja aktivaatiomolekyylit yhdessä määräävät valkosolulle osoitteen, joka ohjaa elinspesifistä kulkeutumista verenkierrosta kohde-elimiin. Veren granulosyytit kulkevat vain tulehdusalueelle, lymfosyytit sekä imukudoksiin että tulehdusalueelle. Kliininen merkitys Valkosoluliikenne Adheesiomolekyylin puutokset aiheuttavat immuunivajavuustiloja. Tulehdusfokuksia voidaan kuvantaa suoneen annetulla radioaktiivisesti merkityllä vasta-aineella, joka tunnistaa ainoastaan tulehduksessa indusoituvan adheesiomolekyylin endoteelin pinnalta. Eläinkokeissa antiadhesiivisella terapialla on saavutettu erinomaisia tuloksia. Kliinisten kokeiden toistaiseksi vaatimattomammat tulokset painottavat tulehdusreaktion systeemibiologisen luonteen ymmärtämisen tärkeyttä. 790

11 Kirjallisuutta Bunting M, Harris ES, McIntyre TM, Prescott SM, Zimmerman GA. Leukocyte adhesion deficiency syndromes: adhesion and tethering defects involving beta 2 integrins and selectin ligands. Curr Opin Hematol 2002;9:30 5. Cines DB, Pollak ES, Buck CA, ym. Endothelial cells in physiology and in the pathophysiology of vascular disorders. Blood 1998;91: Harlan JM, Winn RK. Leukocyte-endothelial interactions: clinical trials of anti-adhesion therapy. Crit Care Med 2002;30:S Kirveskari J, Helinto M, Moilanen JA, Paavonen T, Tervo TM, Renkonen R. Hydrocortisone reduced in vivo, inflammation-induced slow rolling of leukocytes and their extravasation into human conjunctiva. Blood 2002;100: Kirveskari J, Vesaluoma MH, Moilanen JA, ym. A novel non-invasive, in vivo technique for the quantification of leukocyte rolling and extravasation at sites of inflammation in human patients. Nat Med 2001;7: Kunkel EJ, Butcher EC. Chemokines and the tissue-specific migration of lymphocytes. Immunity 2002;16:1 4. Ley K. Integration of inflammatory signals by rolling neutrophils. Immunol Rev 2002;186:8 18. Lowe JB. Glycosylation in the control of selectin counter-receptor structure and function. Immunol Rev 2002;186: Mäkelä T, Porkka K. Omiikat tulevat yksi geeni ei enää riitä. Duodecim 2002;118: Marshall D, Haskard DO. Clinical overview of leukocyte adhesion and migration: where are we now? Semin Immunol 2002;14: Moser B, Loetscher P. Lymphocyte traffic control by chemokines. Nat Immunol 2001;2: Muller WA. Leukocyte-endothelial cell interactions in the inflammatory response. Lab Invest 2002;82: Nathan C. Points of control in inflammation. Nature 2002;420: Oltvai ZN, Barabasi AL. Systems biology. Life s complexity pyramid. Science 2002;298: Renkonen J, Tynninen O, Hayry P, Paavonen T, Renkonen R. Glycosylation might provide endothelial zip codes for organ-specific leukocyte traffic into inflammatory sites. Am J Pathol 2002;161: Robert C, Kupper TS. Inflammatory skin diseases, T cells, and immune surveillance. N Engl J Med 1999;341: Ruoslahti E, Rajotte D. An address system in the vasculature of normal tissues and tumors. Annu Rev Immunol 2000;18: Salmi M, Jalkanen S. How do lymphocytes know where to go: current concepts and enigmas of lymphocyte homing. Adv Immunol 1997;64: Shimizu Y, Rose DM, Ginsberg MH. Integrins in the immune system. Adv Immunol 1999;72: von Andrian UH, Mackay CR. T-cell function and migration. Two sides of the same coin. N Engl J Med 2000;343: von Andrian UH, Engelhardt B. Alpha4 integrins as therapeutic targets in autoimmune disease. N Engl J Med 2003;348: Worthylake RA, Burridge K. Leukocyte transendothelial migration: orchestrating the underlying molecular machinery. Curr Opin Cell Biol 2001;13: MARKO SALMI, dosentti Kansanterveyslaitos ja Turun yliopisto, MediCity Tykistökatu 6A Turku RISTO RENKONEN, dosentti, erikoislääkäri Biomedicum ja Haartman-instituutti, bakteriologian ja immunologian osasto, rationaalinen lääkekehitysohjelma Haartmaninkatu Helsinki 791