Układ dopełniacza został odkryty ponad 120 lat temu przez belgijskiego mikrobiologa i immunologa Jules’a Bordet. W trakcie prowadzonych badań naukowiec ten zaobserwował, że rozpad komórek bakteryjnych przecinkowca cholery (Vibrio cholerae) zachodzi pod wpływem substancji obecnych w surowicy krwi. Za odkrycie bakteriolitycznych właściwości surowicy Jules Bordet został wyróżniony Nagrodą Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny (1919 r.).
Obecnie wiadomo, że układ dopełniacza, nazywany też układem komplementu (ang. the complement system), stanowi jeden z głównych mechanizmów efektorowych wrodzonej odpowiedzi immunologicznej. Obejmuje on grupę około 60 białek rozpuszczalnych i błonowych, które odpowiadają za ochronę organizmu przed patogennymi drobnoustrojami, jak również eliminację nieprawidłowych (martwych, apoptotycznych, nowotworowych) komórek krążących w organizmie. Białka tworzące układ dopełniacza (składniki dopełniacza) oznacza się literą C (od ang. complement) oraz odpowiednią cyfrą (np. C1, C2, C3, itd.). Miejscem syntezy białek należących do układu dopełniacza są komórki układu immunologicznego (np. makrofagi, monocyty, komórki dendrytyczne), ale także fibroblasty, astrocyty i komórki śródbłonka oraz niektóre narządy (np. śledziona, wątroba, nerki czy jelita).
1. Aktywacja układu dopełniacza
Wyróżnia się trzy główne drogi aktywacji układu dopełniacza: klasyczną, alternatywną i lektynową. Każda z tych dróg charakteryzuje się specyficznym mechanizmem inicjacji. Droga klasyczna jest inicjowana przez swoiste przeciwciała połączone z antygenami, z kolei drogi alternatywna i lektynowa są inicjowane w wyniku spontanicznego zetknięcia się składników dopełniacza z drobnoustrojami (przy braku przeciwciał). Ponieważ aktywacja układu dopełniacza może zachodzić przy braku przeciwciał, jak również w ich obecności, układ ten stanowi ogniwo łączące nieswoiste i swoiste mechanizmy odpowiedzi odpornościowej. Warto podkreślić, że efekt końcowy aktywacji układu dopełniacza jest wspólny dla każdej z wymienionych dróg i prowadzi do powstania kompleksu atakującego błonę (ang. Membrane Attack Complex; MAC), a w konsekwencji śmierci komórki docelowej.
Aktywacja białek układu dopełniacza zachodzi w ściśle określonym porządku, w sposób kaskadowy. Oznacza to, że w wyniku sekwencyjnego rozkładu poszczególnych białek tego układu dochodzi do powstania białek efektorowych, które aktywują kolejne białka. Przebieg tej łańcuchowej reakcji jest możliwy, ponieważ niektóre z białek układu dopełniacza (np. C1r, C1s lub czynnik D) oraz kompleksy przez nie tworzone (np. C4b2a i C4b2a3b) wykazują aktywność proteaz (hydrolizują wiązania peptydowe).
1.1. Klasyczna droga aktywacji układu dopełniacza
Aktywacja układu dopełniacza na drodze klasycznej zachodzi z udziałem przeciwciał. W wyniku połączenia się przeciwciała IgM lub IgG z antygenem obecnym na powierzchni komórki docelowej (np. bakteryjnej, wirusowej czy komórki zakażonej wirusem) dochodzi do zmiany konformacji przeciwciała, czego efektem jest odsłonięcie fragmentu Fc. To właśnie odsłonięty fragment Fc immunoglobuliny odpowiada za aktywację układu dopełniacza. Obecne w osoczu lub płynie tkankowym cząsteczki C1q układu dopełniacza wiążą się z dostępnym regionem Fc i zapoczątkowują łańcuchową reakcję aktywacji kolejnych białek tego układu. Zmiana konformacji cząsteczki C1q (powstała w wyniku połączenia z przeciwciałem) powoduje zmianę konformacji (aktywację) cząsteczki C1r, która z kolei aktywuje cząsteczkę C1s. Warto podkreślić, że aktywne cząsteczki C1r i C1s wykazują właściwości proteazy serynowej. C1s rozkłada kolejne składniki układu dopełniacza, tj. cząsteczki C4 i C2 odpowiednio do C4a i C4b oraz C2a i C2b. Cząsteczki C4b łączą się kowalencyjnie z przeciwciałem obecnym na powierzchni komórki docelowej i wiążą cząsteczkę C2a. Kompleks C4b2a stanowi konwertazę C3 drogi klasycznej, która rozkłada cząsteczkę C3 do C3a i C3b. Jedna cząsteczka konwertazy C3 jest zdolna do rozkładu setek cząsteczek C3 (cząsteczki C3, w porównaniu do innych składników układu dopełniacza, występują w surowicy krwi w największym stężeniu). Następnie cząsteczka C3b wiąże się z konwertazą C3 (C4b2a). Kompleks C4b2a3b stanowi konwertazę C5 drogi klasycznej i odpowiada za rozkład cząsteczki C5 do C5a i C5b. Cząsteczka C5b jest wiązana na powierzchni komórki docelowej i indukuje przyłączanie kolejnych składników układu dopełniacza – C6, C7, C8 oraz C9. Łączenie się C6, C7 i C8 powoduje zmiany konformacyjne w strukturze tych cząsteczek, w wyniku których białka te (wcześniej hydrofilowe) ujawniają fragmenty hydrofobowe umożliwiające im wbudowanie się (insercję) i tworzenie kanałów w błonie komórkowej komórki docelowej. W kolejnym etapie kompleks C5b678 przyłącza od jednej do nawet kilkunastu cząsteczek C9. Liczba przyłączonych C9 reguluje średnicę wytworzonego kanału. Szacuje się, że średnica kanału może wynosić od 0,7 do nawet 12 nm.
W pełni uformowany kanał, zbudowany z kompleksu C5b678(9)n, nazywany jest kompleksem atakującym błonę (MAC). Przez powstały kanał z komórki docelowej wypływają m.in. jony potasowe i ATP, a do jej wnętrza wnika m.in. woda i lizozym. W efekcie dochodzi do zaburzenia homeostazy komórki i jej śmierci. Odkładające się na błonie komórkowej kompleksy C5b678(9)n muszą osiągnąć odpowiednią liczbę niezbędną do zabicia jednej komórki docelowej (np. do zabicia jednej bakterii Escherichia coli potrzeba od kilkudziesięciu do nawet kilkuset kompleksów atakujących błonę).
Powstałe w czasie kaskadowej reakcji aktywacji układu dopełniacza cząsteczki C4a, C3a i C5a są uwalniane do światła naczyń lub płynu tkankowego, gdzie m.in. pobudzają komórki tuczne do wydzielania histaminy oraz wzmagają proces fagocytozy. Warto podkreślić, że cząsteczki te są anafilatoksynami, tzn. że obecne w dużych stężeniach w organizmie mogą wywołać wstrząs anafilaktyczny.
1.2. Alternatywna droga aktywacji układu dopełniacza
Aktywacja układu dopełniacza na drodze alternatywnej jest podstawowym mechanizmem wrodzonej i nieswoistej odporności organizmu. Zachodzi w wyniku zetknięcia się obecnych w osoczu lub płynie tkankowym cząsteczek C3 układu dopełniacza z powierzchnią drobnoustrojów (bakterii, wirusów, grzybów, pierwotniaków) lub niektórych komórek nowotworowych. W odróżnieniu od klasycznej drogi aktywacji układu dopełniacza, w drodze alternatywnej cząsteczka C3 rozpada się spontanicznie na C3a i C3b po zetknięciu z komórką docelową. Niewątpliwą zaletą tej drogi aktywacji układu dopełniacza jest jej szybkość – kaskada reakcji prowadzących do eliminacji komórki docelowej następuje natychmiast po wniknięciu patogenu do organizmu (jeszcze zanim dojdzie do wytworzenia przeciwciał). Cząsteczka C3b wiąże się kowalencyjnie z białkami lub polisacharydami obecnymi na powierzchni mikroorganizmów. Zjawisko to nazywane jest opsonizacją. Opsonizacja ułatwia zajście procesu fagocytozy i zwiększa jego skuteczność, ponieważ komórki żerne (np. makrofagi, neutrofile) posiadają na swojej powierzchni receptory swoiste w stosunku do składników dopełniacza. Na powierzchni prawidłowych komórek gospodarza występują białka regulacyjne, które chronią te komórki przed wiązaniem cząsteczek C3b, a tym samym przed zniszczeniem. W kolejnym etapie do cząsteczki C3b związanej z powierzchnią mikroorganizmu, w obecności jonów magnezowych, przyłącza się czynnik B. Czynnik B pod wpływem czynnika D (proteaza osoczowa) rozpada się do Ba i Bb. Cząsteczka Bb wspólnie z C3b stanowi konwertazę C3 drogi alternatywnej (C3bBb), która odpowiada za rozkład kolejnych cząsteczek C3 do C3a i C3b. Cząsteczki C3b przyłączają się do powierzchni drobnoustrojów, a dodatkowo wiążą się z konwertazą C3. Powstały w ten sposób kompleks stanowi konwertazę C5 drogi alternatywnej (C3b2Bb). Konwertaza C5 odpowiada za rozkład cząsteczki C5 do C5a i C5b. Późniejsze etapy aktywacji układu dopełniacza na drodze alternatywnej zachodzą w sposób identyczny jak w przypadku drogi klasycznej.
1.3. Lektynowa droga aktywacji układu dopełniacza
Aktywacja układu dopełniacza na drodze lektynowej zachodzi z udziałem lektyny. Lektyna, nazywana też białkiem wiążącym mannozę (ang. mannose binding lectin, MBL), jest produkowana głównie w wątrobie, a następnie uwalniana do krwi. MBL wykazuje zdolność do wiązania oligosacharydów (mannozy, fukozy, N-acetyloglukozaminy), które obecne są na powierzchni patogenów. Zmiana konformacji MBL (powstała w wyniku przyłączenia do drobnoustroju) powoduje aktywację proteazy serynowej MASP-1 (ang. mannose-binding lectin associated serine protease 1) – czynnościowego odpowiednika czynnika C1r obecnego w klasycznej drodze aktywacji układu dopełniacza. Następnie MASP-1 aktywuje proteazę serynową MASP-2 będącą czynnościowym odpowiednikiem czynnika C1s. MASP-2 rozkłada kolejne składniki układu dopełniacza, tj. cząsteczki C4 i C2 odpowiednio do C4a i C4b oraz C2a i C2b. Późniejsze etapy aktywacji układu dopełniacza na drodze lektynowej zachodzą w sposób identyczny jak w przypadku drogi klasycznej i alternatywnej.
3. Funkcje układu dopełniacza
Do najważniejszych funkcji układu dopełniacza należą:
- opsonizacja (opłaszczanie) mikroorganizmów, mająca na celu ułatwienie zajścia procesu fagocytozy z udziałem komórek żernych
- bezpośrednia eliminacja (bakterioliza, cytoliza) nieprawidłowych komórek (martwych, apoptotycznych lub nowotworowych) dzięki wytworzeniu kompleksu atakującego błonę (proces ten jest efektywny tylko w stosunku do komórek mikroorganizmów charakteryzujących się cienką ścianą komórkową)
- chemotaksja – przyciąganie neutrofili i monocytów do miejsca infekcji (miejsce wzrastającego stężenia białek układu dopełniacza)
- stymulowanie uwalniania perforowanych mediatorów zapalnych z komórek tucznych i bazofilów (na drodze degranulacji)
- wzmaganie odpowiedzi humoralnej – wiązanie się cząsteczek układu dopełniacza z receptorem obecnym na powierzchni limfocytów B stymuluje je do produkcji przeciwciał skierowanych przeciwko komórce docelowej
- stymulacja skurczu mięśni gładkich naczyń krwionośnych oraz zwiększenie przepuszczalności naczyń włosowatych mające na celu zwiększenie przepływu krwi oraz ułatwienie przechodzenia mediatorów zapalnych do miejsc objętych zakażeniem.
3. Regulacja układu dopełniacza
Aktywność układu dopełniacza musi być nieustannie i precyzyjnie regulowana – tak, aby nie doszło do zniszczenia prawidłowych komórek gospodarza, jak również wstrząsu anafilaktycznego spowodowanego zbyt dużą koncentracją aktywnych składników dopełniacza. W tym celu organizm wytworzył szereg mechanizmów i czynników regulujących, których działanie polega głównie na hamowaniu aktywności poszczególnych składników układu dopełniacza. Wśród czynników regulujących aktywność dopełniacza wyróżnia się: białka regulatorowe związane z błonami komórkowymi oraz białka regulatorowe występujące w osoczu. Do białek błonowych regulujących aktywność dopełniacza należą:
- DAF (czynnik przyspieszający rozkład; ang. decay-accelerating factor)
- MCP (błonowy kofaktor białkowy; ang. membrane cofactor protein)
- CR1 (receptor dopełniacza typu 1; ang. complement receptor 1) oraz protektyna (CD59).
DAF występuje na powierzchni wielu komórek organizmu. Jego ekspresję zidentyfikowano na błonach komórkowych m.in. erytrocytów, trombocytów, granulocytów, monocytów, limfocytów B i T, a także komórek nabłonkowych i śródbłonkowych. DAF zapobiega powstawaniu nowych cząsteczek konwertazy C3. Hamuje wiązanie cząsteczki C4b z C2a w klasycznej drodze aktywacji układu dopełniacza oraz cząsteczki Bb z C3b w drodze alternatywnej. Poza tym przyspiesza spontaniczny rozpad już obecnych cząsteczek konwertazy C3 i C5. W efekcie z kompleksów tworzących konwertazy uwalnia odpowiednio cząsteczki Bb i C2a.
Białko regulujące MCP jest obecne w błonach komórkowych większości komórek jądrzastych. Ekspresję tego białka wykazują m.in. neutrofile, monocyty, trombocyty, limfocyty B i T, fibroblasty, komórki nabłonkowe i śródbłonkowe oraz plemniki. MCP stanowi kofaktor dla czynnika I (proteazy osoczowej rozkładającej cząsteczki C4b i C3b), tym samym katalizuje rozkład cząsteczek C4b i C3b (zarówno wolnych, jak i związanych – tworzących konwertazy C3 i C5). Kofaktor dla czynnika I stanowi również białko CR1. CR1 występuje na powierzchni m.in. erytrocytów, neutrofili, monocytów, makrofagów, eozynofilii, komórek Langerhansa i komórek dendrytycznych. Z kolei protektyna (CD59) hamuje formowanie się kompleksu atakującego błonę poprzez wiązanie cząsteczek C8 i C9 układu dopełniacza.
Do białek osoczowych regulujących aktywność dopełniacza należą:
- inhibitor C1
- czynnik 1
- białko wiążące C4
- czynnik H
- rekonektyna
- inaktywator anafilatoksyn
- witronektyna
- klasteryna
- properdyna
Inhibitor C1 wiąże aktywne proteazy serynowe C1r i C1s i w efekcie blokuje dalszą aktywację układu dopełniacza. Wspominany wcześniej czynnik 1 jest proteazą, która, z pomocą kofaktorów (MCP, CR1), inaktywuje cząsteczki C4b i C3b. Białko wiążące C4 oraz czynnik H stanowią kofaktory czynnika 1 i odpowiadają za rozkład konwertazy C3, uwalniając odpowiednio cząsteczkę C4b i C3b. Rekonektyna wykazuje działanie analogiczne do czynnika H. Z kolei inaktywatory anafilatoksyn są karboksypeptydazami, które inaktywują cząsteczki C3a, C4a i C5a. Witronektyna i klasteryna zapobiegają powstawaniu kompleksu atakującego błonę poprzez wiązanie odpowiednio C5b-7 i C7-9. Properdyna stanowi jedyne białko osoczowe, które pozytywnie wpływa na przebieg aktywacji układu dopełniacza. Odpowiada za stabilizację kompleksu C3bBb (konwertazy 3) i C3b2Bb (konwertazy 5) drogi alternatywnej.
Niedobór i/lub wadliwe działanie składników układu dopełniacza, jak również czynników regulujących aktywację układu dopełniacza, leży u podstaw wielu chorób, m.in. zwiększonej wrażliwości na zakażenia wywołane bakteriami z rodzaju Neisseria (niedobór cząsteczki C9), tocznia rumieniowatego (niedobór cząsteczek C2 i C4), dziedzicznego obrzęku naczynioruchowego (niedobór inhibitora C1) czy napadowej nocnej hemoglobinurii (niedobór DAF i protektyny).