Granulocyty to komórki układu odpornościowego należące do grupy leukocytów. Ich charakterystyczną cechą są ziarnistości występujące w cytoplazmie oraz jądro komórkowe podzielone na segmenty. Stanowią od 40 do 70% wszystkich białych krwinek. Wyróżnia się trzy rodzaje granulocytów: obojętnochłonne (neutrofile), kwasochłonne (eozynofile) oraz zasadochłonne (bazofile). Podział ten oparty jest na zdolności poszczególnych granulocytów do pochłaniania związków o określonym pH. Ze względu na odmienny skład ziarnistości cytoplazmatycznych każda z grup może pełnić określone funkcje w organizmie.
Granulocyty odgrywają zasadniczą rolę zarówno we wrodzonej, jak i nabytej odpowiedzi immunologicznej. Migrują do miejsca objętego infekcją, a następnie uwalniają szereg cząsteczek efektorowych, takich jak histamina, cytokiny, chemokiny, enzymy i czynniki wzrostu. Stanowią integralną część toczącego się stanu zapalnego oraz odgrywają znaczącą rolę w procesie rozwoju alergii.
1. Granulopoeza
Granulocyty powstają w szpiku kostnym. Tam multipotencjalne komórki macierzyste przekształcają się w ukierunkowane szpikowe komórki pnia. W wyniku ich różnicowania powstają komórki ukierunkowane, wspólne dla granulocytów i monocytów, które w trakcie rozwoju rozdzielają się na dwie linie: granulocytarną i monocytarną. Pierwsza z nich daje początek trzem rodzajom granulocytów, a wczesne stadia rozwoju są wspólne dla wszystkich ich typów. Dojrzewanie komórek ukierunkowanych zależy od działania różnych związków, takich jak czynnik pobudzający tworzenie kolonii granulocytarno-makrofagalnych (GM-CSF, ang. granulocyte-monocyte colony-stimulating factor), wydzielany przez limfocyty T i fibroblasty.
Pierwszym rozpoznawalnym cytologicznie stadium rozwoju granulocytów jest mieloblast, który w kolejnym etapie przekształca się w promielocyt. Z promielocytu powstaje mielocyt, który zapoczątkowuje trzy linie granulocytarne. W jego cytoplazmie występują liczne ziarnistości: pierwotne oraz specyficzne dla każdego z rodzaju granulocytów. Można wyróżnić wczesne i późne metamielocyty obojętnochłonne, zasadochłonne oraz kwasochłonne. W następnym stadium – metamielocycie – liczba ziarnistości specyficznych znacznie wzrasta. W tym stadium komórki opuszczają szpik kostny i przedostają się do krwi, gdzie dojrzewają. Różnicowanie i proliferacja granulocytów wymaga czynników działających stymulująco, syntetyzowanych przez zrąb szpiku, makrofagi, śródbłonek oraz pobudzone limfocyty.
2. Rodzaje granulocytów
2.1. Neutrofile
2.1.1. Podstawowe informacje
Neutrofile, inaczej granulocyty obojętnochłonne lub leukocyty polimorfonuklearne (ang. polymorphonuclear leukocytes, PMN), to jeden z komponentów wrodzonej odpowiedzi immunologicznej. U ludzi stanowią około 50-70% całej puli leukocytów krążących we krwi. Zostają aktywowane w odpowiedzi na uszkodzenia tkanek bądź komórek, szczególnie podczas wystąpienia stanu zapalnego lub infekcji bakteryjnych. Neutrofile posiadają jądro komórkowe podzielone na kilka segmentów połączonych cienkim włóknem. Te występujące w ludzkiej krwi zazwyczaj posiadają jądro złożone z trzech do pięciu segmentów, przy czym forma z trzema segmentami jest najbardziej powszechna i stanowi około 41%. Ich cytoplazma podczas barwienia hematoksyliną i eozyną zabarwia się na jasnoróżowy kolor, z kolei liczne, równomiernie rozproszone ziarnistości na kolor od różowego do fioletowego.
2.1.2. Zawartość ziarnistości
Ziarnistości pierwotne neutrofili, nazywane ziarnistościami azurofilnymi, są odpowiednikami lizosomów występujących w innych rodzajach komórek. Ich cechą charakterystyczną jest obecność enzymu mieloperoksydazy, która katalizuje reakcję tworzenia kwasu podchlorawego. Podobnie jak lizosomy, ziarnistości azurofilne zawierają szereg proteaz oraz innych enzymów takich jak elastaza, lizozym oraz kwaśna fosfataza. Wśród nich znajduje się również laktoferyna – białko o silnych właściwościach przeciwbakteryjnych.
W przeciwieństwie do ziarnistości pierwotnych, ziarnistości drugorzędowe zawierają związki charakterystyczne tylko dla neutrofili: szereg białek związanych z otaczającą je błoną, w tym cytochromy, cząsteczki sygnałowe oraz receptory. Spośród nich na szczególną uwagę zasługują metaloproteinazy. Dzięki ich obecności neutrofile są bowiem zdolne do degradacji błony komórkowej fagocytowanych bakterii. Zarówno ziarnistości azurofilne, jak i specyficzne zawierają białka antybakteryjne oraz peptydy stanowiące podstawę wrodzonej odpowiedzi immunologicznej.
Pierwsze dwa rodzaje ziarnistości wykrywane są za pomocą klasycznego barwienia histochemicznego. Do zidentyfikowania ziarnistości trzeciorzędowych wymagane są jednak bardziej zaawansowane techniki. W skład tych struktur wchodzi enzym żelatynaza. Odpowiada ona, wraz z innymi składnikami ziarnistości trzeciorzędowych, za zdolność do niszczenia tkanek.
W cytoplazmie neutrofili obecne są też pęcherzyki wydzielnicze. Występują one w późniejszych stadiach dojrzewania tych komórek, a w ich wnętrzu obecne są: fosfataza alkaliczna, albuminy oraz białka osocza. Do mobilizacji pęcherzyków wydzielniczych dochodzi w już przy niewielkich stężeniach mediatorów zapalnych, co jest jedną z cech odróżniającą je od ziarnistości cytoplazmatycznych.
2.1.3. Znaczenie i funkcje
Neutrofile stanowią niezbędny element obrony przeciwko patogennym drobnoustrojom. Ich kluczową rolą jest fagocytoza i degradacja obcych mikroorganizmów, zwłaszcza bakterii.
Stan zapalny może być inicjowany wskutek pojawienia się obcych drobnoustrojów. Neutrofile są w stanie w ciągu 15-45 min dotrzeć do jego ogniska i rozpocząć usuwanie patogenów na drodze fagocytozy. Gdy rozpoznają wzorce patogenności (PAMP ang. pathogen-associated molecular pattern) na powierzchni bakterii lub wirusa, wiążą obce antygeny za pomocą receptorów powierzchniowych, czemu może towarzyszyć wybuch tlenowy. Następnie neutrofil otacza mikroorganizm wypustkami cytoplazmatycznymi i zamyka go w pęcherzyku – fagosomie. We wnętrzu komórki do fagosomu przyłączają się ziarnistości cytoplazmatyczne zawierające enzymy lityczne. W ten sposób powstaje fagolizosom, w którym bakteria lub wirus są trawione.
Granulocyty obojętnochłonne mogą hamować rozwój bakterii poprzez ograniczenie ich dostępu do czynników niezbędnych im do życia, takich jak żelazo i cynk. Uwalniają bowiem laktoferynę i lipokalinę-2, które wiążą żelazo oraz kompleksy białkowe (w tym kalprotektynę), które wiążą jony cynku.
Neutrofile są także w stanie wytwarzać zewnątrzkomórkowe sieci neutrofilowe. Składają się one z chromatyny oraz białek występujących w ich ziarnistościach. Pozwalają na wiązanie bakterii przy jednoczesnej produkcji cząsteczek przeciwbakteryjnych w dużym stężeniu. Ten mechanizm pozwala neutrofilom niszczyć mikroorganizmy poza komórką. Zarówno wytwarzanie, jak i usuwanie siecijest ściśle kontrolowane.
2.2. Eozynofile
2.2.1. Podstawowe informacje
U ludzi eozynofile (granulocyty kwasochłonne) stanowią od 0 do 7% wszystkich białych krwinek znajdujących się w krążeniu ogólnym. Szczególnie dużo znajduje się ich w błonie śluzowej układu pokarmowego, gdzie służą jako obrona przed pasożytami. Zaangażowane są w zwalczanie infekcji grzybiczych i wirusowych, zwłaszcza tych występujących w obrębie układu oddechowego. Eozynofile posiadają pasmowate lub dwupłatowe jądro komórkowe. W zetknięciu z kwaśną eozyną ich ziarnistości cytoplazmatyczne barwią się na kolor czerwono-pomarańczowy.
2.2.2. Zawartość ziarnistości
W cytoplazmie granulocytów kwasochłonnych znajdują się ziarnistości pierwotne (azurofilne) oraz specyficzne. Zawartość ziarnistości pierwotnych jest podobna do materiału znajdującego się ziarnistościach neutrofili. Są to głównie lizosomalne enzymy hydrolityczne.
Ziarnistości specyficzne, nazywane również krystaloidalnymi, zawierają szereg białek o działaniu cytotoksycznym: główne białko zasadowe (MBP, ang. major basic protein), białko kationowe eozynofili (ECP, ang. eosinophil cationic protein), neurotoksynę pochodzenia eozynofilowego (EDN, ang. eosinophil-derived neurotoxin) oraz peroksydazę eozynofilową (EPO, ang. eosinophil peroxidase). Działanie cytotoksyczne MBP polega na zwiększeniu przepuszczalności błony komórkowej. Dzięki temu pomaga niszczyć bakterie i pasożyty. Dodatkowo stymuluje bazofile do wydzielania histaminy. Zarówno ECP, jak i EDN biorą udział zwalczaniu infekcji pasożytniczych, jednak wskazuje się również na ich toksyczne oddziaływanie na tkankę nerwową. Z kolei EPO to odpowiednik mieloperoksydazy pochodzącej z neutrofili. Podobnie jak jej homolog, odpowiada za wytwarzanie reaktywnych form tlenu. Oprócz czterech głównych białek, wewnątrz ziarnistości specyficznych znajdują się takie związki, jak enzymy trawiące tkankę łączną, enzymy niszczące mediatory stanu zapalnego oraz arylosulfataza, która rozkłada glikozaminoglikany. Obecna jest w nich również histaminaza, która osłabia działanie histaminy.
Ciałka lipidowe stanowią trzeci typ struktur wewnątrzkomórkowych eozynofilii. Są one zaangażowane w produkcję pochodnych kwasu arachidonowego – prostaglandyn (PG, ang. prostaglandins) i leukotrienów (LT, ang. leukotrienes).
2.2.3. Znaczenie i funkcje
Eozynofile są zdolne do fagocytozy kompleksów immunologicznych i mikroorganizmów, choć w dużo mniejszym stopniu niż neutrofile. Są bowiem odpowiedzialne za zewnątrzkomórkowe zabijanie dużych pasożytów, które nie mogą zostać sfagocytowane. Za pomocą specjalnych receptorów przyłączają się do powierzchni pasożyta opłaszczonego przeciwciałami i uwalniają cząsteczki o właściwościach cytotoksycznych. Związki te mogą wpływać niekorzystnie również na komórki gospodarza w miejscu wystąpienia infekcji. W ostateczności może dojść do zwłóknienia tkanki. Efekt ten może wynikać bezpośrednio z wydzielania transformującego czynnika wzrostu (TGF-beta, ang. transforming growth factor beta), interleukin (IL, ang. interleukins): IL-4 i IL-13 oraz pośrednio ze stymulowania komórek nabłonka przez MBP i EPO do uwalniania mediatorów powodujących zwłóknienie. Eozynofile zaangażowane są w zwalczanie infekcji grzybiczych i wirusowych, zwłaszcza tych występujących w obrębie układu oddechowego.
Granulocyty kwasochłonne stanowią jeden z elementów skomplikowanej sieci powiązań pomiędzy komórkami immunokompetentnymi i tymi, które nie posiadają zdolności do reagowania na obce antygeny. Jednym z tych powiązań jest dwukierunkowe oddziaływanie pomiędzy eozynofilami a limfocytami pomocniczymi Th2 (ang. T helper cells). Stanowi ono podstawę reakcji nazywanej nadwrażliwością typu późnego IVb (IVb DHT, ang. type IVb delayed hypersensitivity reaction). Polega ona na przyciąganiu leukocytów z krwi obwodowej do miejsca zapalenia. Limfocyty Th2 mogą pobudzać granulocyty kwasochłonne poprzez wydzielanie IL-5 lub pośrednio, przez stymulowanie humoralnej odpowiedzi immunologicznej. Z kolei eozynofile wzmagają odpowiedź limfocytów Th2 m.in. poprzez wydzielanie IL-25.
Eozynofile uwalniają zawartość ziarnistości w procesie degranulacji. Może ona przebiegać szybko, na drodze endocytozy, lub powoli, na drodze tzw. „fragmentarycznej degranulacji”. Podczas drugiego z tych procesów zawartość ziarnistości specyficznych jest transportowana za pomocą niewielkich pęcherzyków, a następnie stopniowo uwalniania po ich połączeniu się z błoną komórkową. Ten rodzaj degranulacji pozwala na udział komórek układu odpornościwego w przelekłym zapaleniu o niewielkim nasileniu.
Udowodniono, że granulocyty kwasochłonne są zdolne do tworzenia zewnątrzkomórkowych sieci eozynofilowych (EET, ang. eosinophil extracellular traps). Swoistą cechą EET jest obecność wysoce immunogennego DNA mitochondrialnego. EET wykrywa się w takich chorobach, jak atopowe zapalenie skóry, eozynofilowe zapalenie przełyku czy astma.
2.3. Bazofile
2.3.1. Podstawowe informacje
Bazofile (granulocyty zasadochłonne) to najmniej liczna grupa leukocytów. Stanowią bowiem nie więcej niż 1% wszystkich tych komórek obecnych we krwi. Posiadają okrągłe, ząbkowane, pasmowate lub segmentowane jądro. W ich cytoplazmie obecne są nierównomiernie rozproszone ziarnistości, które barwią się barwnikami zasadowymi na kolor od fioletowo-granatowego do ciemnego fioletowo-czerwonego. Zawierają one heparynę, histaminę oraz inne związki chemiczne. Bazofile nie posiadają zdolności do fagocytozy. Wykazują znaczne podobieństwo do komórek tucznych (mastocytów), jednak istnieją pewne cechy pozwalające na ich rozróżnienie.
2.3.2. Zawartość ziarnistości
W cytoplazmie granulocytów zasadochłonnych obecne są dwa typy ziarnistości: azurofilne, które występują również w innych granulocytach, oraz specyficzne, zawierające siarczan heparanu, histaminę, leukotrieny, prostaglandyny oraz interleukiny, przede wszystkim IL-4 i IL-13. Histamina rozszerza naczynia krwionośne i jest jednym z głównych mediatorów reakcji alergicznej. Z kolei siarczan heparanu, o strukturze podobnej do heparyny, zmniejsza krzepliwość krwi. Bazofile wydzielają znacznie więcej IL-4 niż inne granulocyty. IL-13, również produkowana przez nie w dużych ilościach, ma działanie przeciwpasożytnicze. Niektóre LT i PG, podobnie jak histamina, biorą udział w rozszerzaniu naczyń krwionośnych
2.3.3. Znaczenie i funkcje
W przeciwieństwie do mastocytów, które rozwijają się i rezydują w tkankach, bazofile rekrutowane są z krwi do miejsca stanu zapalnego, powstałego w wyniku pojawienia się alergenów, robaków pasożytniczych lub ektopasożytów. Każda substancja zawarta w ziarnistościach bazofili bierze udział w rozwoju stanu zapalnego. W wyniku krzyżowego wiązania przeciwciał klasy IgE do specyficznych receptorów na powierzchni granulocytów zasadochłonnych, z ich ziarnistości uwalniana jest histamina oraz inne mediatory zapalenia. Bazofile aktywowane są również pod wpływem związania C3a i C5a oraz lektyn – substancji występujących w niektórych owocach. W wyniku ich pobudzenia dochodzi do fuzji ziarnistości cytoplazmatycznych z błoną komórkową i uwolnienia zawartości na drodze egzocytozy. Proces ten przeważnie zachodzi natychmiast i jest niezwykle ważny dla rozwoju ostrej odpowiedzi zapalnej. Histamina odpowiada za zwiększenie przepuszczalności naczyń krwionośnych w początkowym okresie procesu zapalnego. Chemokiny wywołują chemotaksję neutrofili, eozynofili oraz monocytów.
Bazofile biorą udział w procesach wrodzonej i nabytej odpowiedzi immunologicznej. W ramach odporności nieswoistej rozpoznają cząsteczki na powierzchni patogenów oraz wydzielają peptydy antybakteryjne (β-defensynę i katelicydynę). Tworzą zewnątrzkomórkowe sieci bazofilne (BET, ang. basophil extracellular trap), składające się z chromatyny oraz proteaz o działaniu antybakteryjnym. Udział bazofili w reakcjach odporności nabytej opiera się na wydzielaniu dużych ilości IL-4, która stymuluje proces różnicowania się komórek prekursorowych do limfocytów Th2, przy jednoczesnych hamowaniu powstawania limfocytów Th1. W migdałkach człowieka granulocyty zasadochłonne mogą pobudzać limfocyty B do wydzielania immunoglobulin IgE i IgG, co przyczynia się do zwiększenia intensywności odpowiedzi humoralnej.
Dzięki swojej zdolności do wiązania IgE, bazofile odgrywają znaczącą rolę w reakcji alergicznej i stanowią ważne ogniwo w rozwoju astmy. Posiadają bowiem receptor dla IL-33, która wydzielana jest przez nabłonek dróg oddechowych w obecności alergenu. Wyniki badań naukowych wskazują również na rolę IL-25 w pobudzaniu bazofili do wydzielania mediatorów stanu zapalnego.
W pracach naukowych dotyczących bazofili zdefiniowano pojęcie „uwalnialności” (ang. releasability). Wiąże się ona z niewspółmiernie intensywną reakcją alergiczną organizmu w stosunku do ekspozycji na antygen. Uwalnialność rozumiana jest jako zwiększona zdolność bazofili do uwalniania mediatorów pod wpływem agonistów wiążących się z receptorami na ich powierzchni. Początkowo uważano, że efekt ten jest zależny tylko od gęstości receptorów przyłączających przeciwciała IgE. Obecnie zjawisko „uwalnialności” wiązane jest z cytokinami i ich zdolnością do pobudzania komórek związanych z wystąpieniem stanu zapalnego.
3. Choroby związane z nieprawidłowym wydzielaniem granulocytów
Zmniejszenie liczby granulocytów we krwi obwodowej określane jest nazwą granulocytopenii. Ze względu na dominację neutrofili, wyrażenie to używane jest najczęściej w odniesieniu do niedoboru właśnie tych komórek. Jednak gdy obniżenie liczebności komórek ziarnistych ograniczone jest tylko do którejś z grup, mamy do czynienia z: neutropenią, eozynopenią lub bazopenią. Patologie występujące w organizmie mogą być też związane ze zbyt wysokim stężeniem granulocytów we krwi i określane są mianem neutrofili, eozynofilii lub bazofilii. Wszystkie zakłócenia dotyczące liczby komórek ziarnistych mogą mieć różne przyczyny i być objawem wielu jednostek chorobowych.
3.1. Autoimmunizacyjna neutropenia niemowląt
Autoimmunizacyjna neutropenia niemowląt (ANI, ang. (ang. autoimmune neutropenia of infancy) znana była wcześniej pod nazwą łagodnej neutropenii. Choroba ta jest uważana za najczęstszą przyczynę przewlekłej neutropenii u dzieci poniżej 4. roku życia. Rozwija się w wyniku obecności przeciwciał skierowanych przeciwko antygenom HNA 1 i HNA 2 na powierzchni granulocytów. Łączą się one z powierzchnią neutrofili, prowadząc do ich destrukcji i w efekcie do obniżenia ich liczby we krwi. Ze względu na niedobór granulocytów obojętnochłonnych, dzieci z ANI częściej cierpią na infekcje górnych dróg oddechowych, zapalenie ucha środkowego, bakteryjne zapalenia węzłów chłonnych, ropnie podskórne, zakażenia układu moczowego i pokarmowego. Występowanie ciężkich infekcji u dzieci cierpiących na ANI należy do rzadkości. Większość przypadków tego schorzenia przebiega łagodnie lub bezobjawowo i ustępuje średnio po 17 miesiącach życia.
3.2. Eozynofilowe zapalenia tkanek
Pierwotne eozynofilowe choroby przewodu pokarmowego (EGID, ang. primary eosinophilic gastrointestinal disorders) to takie, w których stwierdza się nacieki eozynofili w ścianie przewodu pokarmowego o nieznanej przyczynie. Do ich rozwoju dochodzi w wyniku nieprawidłowej odpowiedzi immunologicznej na antygen, częściowo zależnej od IgE, a w przeważającym stopniu od działania limfocytów Th2. Najczęstszą postacią EGID jest eozynofilowe zapalenie przełyku (EOE, ang. eosinophilic esophagitis) – przewlekłe schorzenie charakteryzujące się naciekami zapalnymi w błonie śluzowej i zaburzeniami czynności przełyku. Do tej samej grupy należy rzadko występujące eozynofilowe zapalenie żołądka i/lub jelit (EG, ang. eosinophilic gastroenteritis).
Eozynofilowe zapalenie mięśnia sercowego (EM, ang. eosinophilic myocarditis) również charakteryzuje się naciekiem zapalnym z granulocytów kwasochłonnych, któremu często towarzyszy eozynofilia. Wystąpienie EM wiązane jest nowotworami oraz z chorobami immunologicznymi, takimi jak syndrom Churga-Strauss czy zespół hipereozynofilowy. W większości przypadków EM przyczyna jest jednak nieznana.
3.3. Ostra i przewlekła białaczka bazofilowa
Bazofilia stwierdzana jest w takich chorobach jak ostra białaczka bazofilowa (ABL, ang. acute basophilic leukemia) oraz przewlekła białaczka bazofilowa (CBL, ang. chronic basophilic leukemia). Zarówno ABL, jak i CBL występują bardzo w rzadko, a literaturze opisywane są pojedyncze przypadki. Białaczka to choroba nowotworowa spowodowana patologicznym, klonalnym rozrostem komórek układu krwiotwórczego o różnym stopniu dojrzałości. W przypadku białaczek bazofilowych liczba niedojrzałych i dojrzałych form granulocytów zasadochłonnych stanowi około 40-80% białych krwinek krążących we krwi. Etiologia ABL i CBL pozostaje do tej pory nieznana. Jedną z terapii stosowanych do ich leczenia jest przeszczep komórek macierzystych lub polichemioterapia.