Komórki NK (ang. natural killer, naturalni zabójcy) należą do komórek układu odpornościowego. Są częścią rodziny komórek limfoidalnych (ang. innate lymphoid cells, ILC). Stanowią 5-15% wszystkich limfocytów krążących we krwi. Występują w wielu tkankach organizmu, m.in. w szpiku kostnym, we krwi, w śledzionie, węzłach chłonnych, wątrobie, płucach, grasicy, macicy i jamie otrzewnej. Oddziałują z receptorami NK (ang. natural killer receptor, NKR). Komórki NK odgrywają ważną rolę w tworzeniu odporności. Biorą udział w eliminacji komórek uszkodzonych, wykazujących objawy zakażenia i nowotworowych. Wydzielają interferon γ (IFN−γ) oraz cytokiny niezbędne w odpowiedzi na infekcje wirusowe. Biorą udział we wzroście i różnicowaniu limfocytów B i T. Nadmiar komórek NK może prowadzić do chorób autoimmunologicznych.
1. Historia odkrycia komórek NK
Komórki NK zostały odkryte w latach 70. XX wieku. W 1975 roku prowadzono badania, w których odkryto istnienie specyficznych komórek o cechach spontanicznej cytotoksyczności. Wykorzystano wówczas model zwierzęcy, a wkrótce potem podobne komórki znaleziono u ludzi. Okazało się, że zarówno krew osób zdrowych, jak i chorych wykazuje naturalną odpowiedź przeciw komórkom nowotworowym. W latach 90. XX wieku dokonano oceny gęstości receptorowej antygenów CD56 i CD16 i na tej podstawie zdefiniowano dwie subpopulacje komórek NK. Od tego czasu badania dotyczące funkcji komórek NK nadal trwają. Od 2013 roku komórki NK są zaliczane do nieswoistych komórek limfoidalnych.[3-5]
2. Budowa komórek NK
Komórki NK zaliczane są do grupy dużych ziarnistych limfocytów. Pod względem morfologicznym przypominają granulocyty. Posiadają nerkowate jądro o średnicy 12-15 µm oraz ziarnistości azurofilne. W zależności od fenotypu posiadają markery białkowe CD16, CD56 lub CD57. Różnią się także między sobą gęstością receptorów. [8,11]
Na powierzchni komórek NK występują cząsteczki DNAM (ang. dnax accessory molecule) i ligandy czynnika martwicy nowotworu indukujące apoptozę (ang. tumor necrosis factor related – apoptosis inducing – ligand, TRAIL). Molekuły DNAM to grupa białek należących do rodziny receptorów adhezyjnych. Są odpowiedzialne za indukcję śmierci komórki. Natomiast ligandy TRAIL aktywują czynnik martwicy nowotworów (ang. tumor necrosis factor, TNF) związany z apoptozą. Są też zaangażowane w odpowiedź przeciwwirusową, immunosupresję, immunoregulację i funkcje immunoefektorowe. Odpowiadają za adhezję limfocytów i sygnalizację komórkową. [11]
3. Powstawanie i metabolizm komórek NK
Komórki NK powstają w szpiku kostnym z tzw. komórki macierzystej szpiku (ang. hematopoietic stem cell, HSC). Powstawanie komórek NK jest złożonym wieloetapowym procesem, w którym bierze udział wiele czynników transkrypcyjnych (m.in. T-bet i Eomes) i interleukina 15 (IL-15). [1-10]
Aktywne komórki NK charakteryzują się ekspresją białek CD122. Dzielą się na dwie subpopulacje – komórki cytotoksyczne (CD56dim) i komórki o wysokiej ekspresji białka powierzchniowego CD56 (CD56bright). Prawie 90% komórek NK w narządach limfatycznych stanowią te z grupy CD56dim. Są one głównym producentem cytokin. Mają działanie immunostymulujące. Odgrywają rolę w patofizjologii wielu chorób, takich jak nowotwory, choroby autoimmunologiczne, stany zapalne układu nerwowego czy infekcje. [1-10]
4. Receptory komórek NK
Receptory komórek NK dzielą się na receptory aktywujące i hamujące. Wyróżnia się wsrode nich następujące grupy:
- receptory immunoglobulinopodobne komórek NK (ang. killer immunoglobulin-like receptors, KIR)
- receptory naturalnej cytotoksyczności (ang. natural cytotoxity receptors, NCRs NKR)
- receptory lektynopodobne typu C (ang. C-type lectin-like receptors, CLR) [11,15,17,18]
4.1. Receptory KIR
Receptory KIR są receptorami polimorficznymi, glikoproteinowymi. Występują na powierzchni komórek NK i niektórych limfocytów T. Odpowiadają za rozwój tolerancji immunologicznej i aktywację komórek odpornościowych. Mają działanie aktywujące lub hamujące w zależności od długości ogona cytoplazmatycznego immunologicznie związanego z tyrozyną (ang. immune tyrosine-based inhibitory motifs, ITIM). Receptory hamujące mają długi ogon cytoplazmatyczny, a receptory aktywujące – krótki. Dodatkowo ze względu na liczbę zewnętrznych domen immunoglobulinowych dzieli się je na dwie grupy:
- receptory z dwiema domenami (KIR2D)
- receptory z trzema domenami (KIR3D) [11,15]
Przewaga receptorów hamujących KIR wystepuje u osób z chorobami autoimmunologicznymi i nowotworami. Do zwiększonej aktywności tych receptorów dochodzi w przypadku zakażeń wirusowych. Dodatkowo u kobiet przewaga receptorów hamujących KIR może powodować stan przedrzucawkowy i spontaniczne poronienia. [11,15]
4.2. Receptory naturalnej cytotoksyczności
Na powierzchni komórek NK licznie występują receptory naturalnej cytotoksyczności. Są one receptorami aktywującymi. Wśród nich wyróżnia się receptory o różnej ekspresji sygnałowej:
- receptory NKp46 (NCR1/CD335)
- receptory NKp44 (NCR2/CD336)
- receptory NKp30 (NCR3/CD337) [11,15]
Receptory NKp46 są najbardziej specyficzne dla komórek NK. Występują zarówno na aktywowanych komórkach NK, jak i na tych pozostających w spoczynku. Prawdopodobnie były one pierwszymi ewolucyjnie receptorami naturalnej cytotoksyczności zaangażowanymi w rozpoznawanie patogenów i nowotworów. Receptory NKp46 łącząc się z ligandami na komórkach gwiaździstych wątroby chronią ją przed włóknieniem. Ich niedobór prowadzi do rozwoju wad letalnych u płodu. [11,15]
Receptory NKp44 są umiejscowione na plazmatoidalnych komórkach dendrytycznych (pDC) i dojrzałych komórkach NK. Szybko eliminują komórki nowotworowe i komórki zainfekowane wirusem, wykorzystując swoje właściwości lityczne. Natomiast receptory NKp30 są ulokowane zarówno na aktywnych, jak i nieaktywnych komórkach NK. Umożliwiają kontakt komórki NK z komórkami dendrytycznymi. Ligandami dla nich są antygeny wirusowe. [11,15]
4.3. Receptory lektynopodobne typu C
Receptory lektynopodobne typu C (C-type lectin receptors, CLR) to grupa receptorów hamujących. Występują na komórkach NK, a także na komórkach dendrytycznych i limfocytach T cytotoksycznych. Odgrywają rolę w tworzeniu odpowiedzi odpornościowej na wirusy (m.in. HIV). Są specyficzne dla łańcucha polimorficznego zależnego od kompleksu atakującego błonę (ang. Membrane Attack Complex, MAC I) indukowanego przez stres, co może być eksponowane na komórkach zakażonych i ulegających transformacji. [11,15,18]
5. Działanie komórek NK
W wyniku bezpośredniego kontaktu z uszkodzonymi lub zainfekowanymi komórkami, z komórki NK zostaje uwolniona drogą egzocytozy zawartość litycznych ziaren cytotoksycznych. Zawierają one białka, m.in. perforynę i granulizynę, które aktywują kaspazy i uruchamiają proces apoptozy, co doprowadza do destrukcji patologicznej komórki. [8,12]
Komórki NK podlegają aktywacji, gdy zetkną się z obcą lub uszkodzoną komórką. Są także wrażliwe na kontakt z komórkami, na których powierzchni brakuje białek MHC klasy I bądź gdy ich stężenie jest obniżone. Taka sytuacja jest powszechna przy zakażeniach wirusowych oraz w przypadku rozwoju komórek nowotworowych. Aktywowane komórki NK wydzielają cytokiny i chemokiny, których działanie moduluje dalszy przebieg odpowiedzi immunologicznej, zarówno nieswoistej jak i swoistej. [8,12]
6. Funkcje komórek NK
Podstawową funkcją komórek NK jest zwalczanie zakażeń wirusowych. Wydzielany przez te komórki IFN−γ pozwala na pełną aktywację odpowiedzi komórkowej układu odpornościowego. Komórki NK wytwarzają także prozapalne chemokiny o niskiej masie cząsteczkowej, m.in. MCP-1 (CCL2), MCP-2 (CCL8), MCP-3 (CCL7), MIP-1α (CCL3), MIP-1α (CCL4) i RANTES (CCL5). Związki te wykazują bezpośrednie działanie przeciwwirusowe i hamują rozprzestrzenianie się wirusa. [16,17]
Komórki NK mają zdolność do pamięci immunologicznej. Podczas pierwszego zakażenia patogenem migrują one do tkanek limfatycznych i są tam magazynowane nawet kilka miesięcy. Podczas ponownego kontaktu z patogenem komórki NK ulegają samoodtworzeniu. Odtworzone komórki wykazują zdolność do szybszej degranulacji i produkcji większych ilości cytokin niż za pierwszym razem. [17]
Komórki NK odgrywają również ważną rolę w obronie przeciwnowotworowej. Angażują inne komórki immunokompetentne, do których należą m.in. komórki dendrytyczne, limfocyty T i B oraz makrofagi. Aktywność komórek NK wobec komórek nowotworowych zależy od liczby i rodzaju antygenów zgodności tkankowej (ang. human leukocyte antigens, HLA) na ich powierzchni. Po rozpoznaniu obcego antygenu przez receptory, komórki NK uwalniają cytokiny (głównie IL-2 oraz IL-15) i wiążą komórki nowotworowe w procesie lizy. Dochodzi do perforacji błon komórek nowotworowych i indukcji apoptozy, a w efekcie do efektywnego niszczenia komórek nowotworowych. [18.19]
W pewnych sytuacjach komórki NK hamują odpowiedź układu immunologicznego. Taka sytuacja ma miejsce m.in. w czasie ciąży u kobiet. Komórki NK zmniejszają aktywność pozostałych komórek immunokompetentnych i ograniczają wydzielanie cytokin. Dzięki temu zarodek, którego komórki różnią się od komórek matki, nie zostaje uznany przez układ odpornościowy za obcy lub patologiczny element i może się rozwijać. [16]
7. Zaburzenia ilości komórek NK
7.1. Niedobór komórek NK
Niedobór komórek NK prowadzi do zwiększonej podatności na choroby infekcyjne i nowotworowe. Dochodzi do zahamowania aktywności cytolitycznej i obniżenia zdolności wytwarzania odpowiedzi na wirusy. Wśród chorób, w których występuje niedobór komórek NK wymienia się najczęściej:
- ciężki złożony niedobór odporności (ang. severe combined immunodeficiency, SCID)
- niedobór dezaminazy adenozyny-2 (ang. adenosine deaminase 2 deifciency, DADA2)
- zespół hiper-IgM [15]
Ciężki złożony niedobór odporności to grupa rzadkich chorób dziedziczonych autosomalnie recesywnie lub z chromosomem X. Prowadzą do upośledzenia odporności komórkowej i humoralnej, a w konsekwencji do śmierci we wczesnym dzieciństwie. [22]
Niedobór dezaminazy adenozyny-2 to choroba autoagresywna cechująca się niedoborem enzymu dezaminazy adenozyny syntetyzowanej przez komórki opiekuńcze grasicy. Prowadzi do niedoboru odporności i zespołu wrodzonych wad hematologicznych. [23]
Zespół hiper-IgM to grupa pierwotnych zaburzeń odporności dziedziczona z chromosomem X. Charakteryzuje się podwyższonym poziomem immunoglobuliny M (IgM) z jednoczesnym niedoborem pozostałych immunoglobulin. [24]
7.2. Nadmiar komórek NK
Nadmiar komórek NK prowadzi do wzrostu uwalniania cytokin oraz zwiększonej ekspresji komórek układu odpornościowego i cząsteczek sygnałowych. Wiąże się to z hiperaktywnością układu immunologicznego i niszczeniem własnych tkanek. Konsekwencją jest rozwój chorób autoimmunologicznych, odrzucanie przeszczepów czy poronienia i problemy z zajściem w ciążę u kobiet. [19]
Fizjologiczny wzrost puli komórek NK koreluje ze starzeniem się organizmu. U osób starszych dochodzi do osłabienia ich właściwości immunoregulacyjnych i zahamowania syntezy proteaz serynowych, takich jak granzymy i perforyny. Ogranicza to zdolność naprawy uszkodzonej tkanki i wydłuża czas gojenia, zwiększając ryzyko infekcji. Jednocześnie uwalniane są cytokiny prozapalne. Prowadzi to do nasilenia objawów chorób przewlekłych i nieadekwatnej reakcji układu odpornościowego na obecność komórek nowotworowych. [20,21]
8. Udział komórek NK w patofizjologii chorób
8.1. Choroby wątroby
Ilość komórek NK przechowywanych w wątrobie zależy od lokalnej syntezy IL-15, a ich uwalnianie jest regulowane przez IL-15, IL-18 i IL-2. Aktywność cytotoksyczna limfocytów NK jest wzmacniana przez szereg cytokin, takich jak interferony, IL-12, IL-18 i IL-21. Nadmierny wzrost ich aktywności może wywołać reakcje zapalne i predysponować do wirusowego lub autoimmunologicznego zapalenia wątroby. [25]
8.2. Nowotwory
Poziom komórek NK we krwi u osób chorych na nowotwory jest obniżony. Dodatkowo u tych osób komórki NK mają obniżoną cytotoksyczność w porównaniu do komórek NK osób zdrowych. Receptory KIR wykazują wysoką aktywność, hamując jednocześnie ekspresję komórek NK. Przy braku naturalnej ochrony przeciwnowotworowej dochodzi do szybszego rozprzestrzeniania się komórek raka i gwałtowniejszego rozwoju nowotworu. Leczenie polega na terapii adoptywnej, czyli na podaniu choremu komórek NK pozyskanych w sposób autologiczny lub allogeniczny. Sposób autologiczny polega na wyizolowaniu od chorego własnych komórek NK. Po przetworzeniu w warunkach in vitro są one ponownie podawane choremu. Natomiast sposób allogeniczny polega na podaniu choremu komórek NK pobranych od zdrowego dawcy. [12]
Cytotoksyczność komórek NK zwiększa się poprzez stymulację układu odpornościowego cytokinami: IL-2, IL-12, IL-15, IL-18, IL-21 oraz interferonem. Do niedawna cytokiny podawano pacjentom dożylnie. Obecnie w warunkach laboratoryjnych pobudza się komórki NK do produkcji cytokin, a następnie takie pobudzone komórki dostarcza się do organizmu chorego. [12]
Proces nowotworzenia może również dotyczyć samych komórek NK. W procesie ich dojrzewania i różnicowania mogą pojawiać się błędy w programowaniu ich naturalnej cytotoksyczności. Wadliwe komórki migrują do krwi obwodowej, a z niej do narządów, w tym do skóry. Ekspansja błędnych komórek prowadzi do utraty funkcji genów supresorowych, które chronią organizm przed nadmierną proliferacją i wzrostem komórek nowotworowych. Nowotwory powstające z komórek NK cechują się obrazem klinicznym i patomorfologicznym typowym dla różnych postaci białaczki. [14]
8.3. Choroby płuc
U osób z chorobami płuc znacznie wzrasta ilość komórek NK w pęcherzykach płucnych i w oskrzelach. Dotyczy to zwłaszcza osób nałogowo palących papierosy. U osób cierpiących na przewlekłą obturacyjną chorobę płuc (POChP), które rzuciły palenie, zaobserwowano zwiększoną liczbę komórek NK. Największa ich liczba znajduje się w pęcherzykach płucnych osób chorujących na POChP i będących aktywnymi palaczami. Każde uszkodzenie płuc może spowodować rozwój zespołu uogólnionej odpowiedzi zapalnej (ang. systemic inflammatory response syndrome, SIRS) i rozlokowanie komórek cytotoksycznych w drzewie oddechowym. Zauważa się także istotną rolę komórek NK w patogenezie astmy oskrzelowej. Obecne w płucach komórki NK nasilają zapalenie alergiczne poprzez syntezę IL-5 i IL-13. [13,15]