Острая физическая нагрузка как стрессовый фактор

Как отмечалось выше, физические упражнения оказывают благоприятное воздействие на организм человека, в частности и на иммунную систему. Вместе с тем воздействие физических упражнений на функцию иммунной системы будет определяться тем, являются ли эти упражнения стрессом для организма или нет. Воздействие физических и психологических стрессоров на иммунную систему было изучено довольно глубоко и рассматривалось в деталях во многих печатных работах (Glaser, Kicolt-Glaser, 1994; Buckingham etal., 1997; Rabin, 1999; Marsland et al., 2002; Moynihan, 2003; Padgett, Glaser, 2003). До недавнего времени считалось, что все формы стресса оказывают преимущественно иммуносупрессивное воздействие. Однако установлено, что характер изменений функции иммунной системы могут определять и тип и величина стрессового воздействия. Например, если стрессовый фактор воспринимается организмом как негативный (дистресс), тогда тип и степень нейроэндокринной активации могут привести к подавлению иммунной функции. Однако, если стрессовый фактор воспринимается как позитивный (эвстресс), тогда воздействия, опосредованные нейроэндокринной системой, могут стимулировать усиление деятельности иммунной системы (Dhabhar, McEwen, 2001). Таким образом, при выяснении взаимосвязей между физическими упражнениями и иммунной функцией необходимо учитывать не только наличие стрессового воздействия физических нагрузок, но также и его характер, т. е. приводит оно к усилению или подавлению иммунной системы.

Как правило, при изучении взаимосвязи между двигательной активностью и иммунитетом исследователи рассматривают острую физическую нагрузку как модель индуцированного стресса или травмы, в то время как более продолжительные занятия физическими упражнениями с высокой интенсивностью нагрузки используют как способ вызвать подавление иммунной системы (Hoffman-Goetz, Pedersen, 1994,

2001). Реакция иммунной системы на острую физическую нагрузку сопоставима с таковой в случае травмы или хирургической операции (примером острой физической нагрузки является однократное занятие на тредмиле или велотренажере продолжительностью 60 мин). После такого воздействия наблюдаются многочисленные изменения, в том числе усиление мобилизации лейкоцитов, выделение провоспалительных и противовоспалительных цитокинов, повреждение тканей, образование свободных радикалов, а также активация ряда процессов, ассоциированных с воспалительным процессом, таким, как фаза острой реакции, коагуляция и фибринолиз. Подобные результаты позволили некоторым исследователям сделать вывод, что изменения функции иммунной системы могут быть результатом воспалительного процесса, инициированного повреждениями мышечной ткани, возникающими в результате занятий физическими упражнениями (Hoffman-Goetz, 1996). В то же время известно, что повреждение мышечной ткани не является обязательным условием для индукции большинства описанных выше изменений показателей иммунной системы (Pedersen, Hoffman-Goetz, 2000). Тем не менее, в случае повреждения мышечной ткани иммунная система, а особенно система врожденного иммунитета, может принимать эффективное участие в процессах заживления повреждений. Наряду с этим многие изменения, индуцированные острой физической нагрузкой, происходят независимо от повреждения мышечной ткани. Так, достаточно часто наблюдается общий лейкоцитоз (увеличение количества белых кровяных клеток в крови в несколько раз). В случае лейкоцитоза, индуцированного физической нагрузкой, количество всех лейкоцитов обычно в какой-то мере возрастает. Вместе с тем количество клеток, имеющих отношение к системе врожденного иммунитета, а именно: нейтрофилов, натуральных клеток-киллеров и моноцитов, возрастает гораздо сильнее, по сравнению с лимфоцитами — подгруппой лейкоцитов, ответственной за реализацию приобретенного иммунитета. В популяции лимфоцитов численность CD8+ Т-лимфоцитов (цитотоксические Т-лимфоциты) увеличивается быстрее по сравнению с CD4+ Т-лимфоцитами (Т-хелперные клетки); изменения количества В-лимфоцитов обычно выражены еще менее. Лейкоцитоз представляет собой кратковременное явление, которое наблюдается примерно через 30 мин после завершения тренировочного занятия, однако через несколько часов периода восстановления количественные показатели лейкоцитов обычно возвращаются к норме. Иногда наблюдается двухфазный ответ, при котором за снижением количества лейкоцитов следует второе повышение их численности. Принимая во внимание скорость увеличения количества лейкоцитов, предполагаем, что основную роль в привлечении клеток из внутрисосудистых пограничных скоплений и мест накопления играет селезенка. Предполагается, что такое привлечение клеток происходит при участии кортизола и катехоламинов — гормонов, которые тесно связаны с реакцией организма на стресс (Mackinnon, 2000а). Кроме того, привлеченные лимфоциты представлены преимущественно клетками памяти (CD45RO*), а доля недавно дифференцированных клеток (CD45RA*) среди них мала (Gabriel et al., 1993). Клетки памяти отличаются тем, что они однажды уже взаимодействовали с чужеродным материалом (антигеном) и после этого стали запрограммированы на новую встречу с тем же антигеном. В то время как недавно дифференцированные клетки (не-активированные) имеют тенденцию к миграции в лимфоидные органы, клетки памяти могут локализоваться и в тканях, и в лимфоидных органах, следовательно, такой в определенной степени избирательный лейкоцитоз двух популяций, располагающихся в различных лимфоидных компартментах, может предоставить ключ к пониманию механизмов возрастания количества этих клеток в крови, происходящего под влиянием гемодинамических сил и гормонов. Каким образом эти индуцированные физической нагрузкой и опосредованные гормонами изменения количества лейкоцитов влияют па иммунный ответ на патогенную инфекцию, представляет значительный интерес.

Острая физическая нагрузка влияет и на эндокринную систему, приводя к повышению в крови уровня разнообразных гормонов, таких, как катехоламины (адреналин и норадреналин), соматотропин, β-эндорфины, половые стероиды и кортизол (Hoffman-Goetz, Pedersen, 2001). Принимая во внимание их локализацию, логично предположить, что эти гормоны могут также оказывать влияние на миграцию иммунных клеток. Это предположение подтверждается тем, что уровень экспрессии β-адренергических рецепторов на белых кровяных клетках коррелирует с увеличением их количества, наблюдаемым после активной двигательной активности (Hoffman-Goetz, Pedersen, 2001). Лейкоциты имеют рецепторы ко всем этим молекулам, в частности к катехоламинам, соматотропному гормону, β-эндорфинам, половым стероидам и кортизолу, и каждый из этих гормонов в случае индивидуального применения оказывает воздействие на миграцию лимфоцитов. Эти данные в общем подтверждают модель, согласно которой катехоламины, связываясь с β-адренергическими рецепторами, вызывают быстрый ответ, тогда как кортикостероиды играют более важную роль в случае регулярной двигательной активности большей продолжительности (Hoffman-Goetz, Pedersen, 2001).

Регулярная двигательная активность может также вызывать повышение в крови уровня веществ, которые являются инициаторами апоптоза (программированной клеточной смерти) лимфоцитов. Например, повышенный уровень кортизола и активных радикалов кислорода может стать причиной апоптоза лимфоцитов и последующего уменьшения их количества в крови. Однако проведенные исследования показали, что несмотря на повышение в условиях физической нагрузки уровня кортизола, F2-изопростанов (показатель уровня свободных радикалов кислорода), адреналина и норадреналина, изменений общего количества апоптозных лимфоцитов в крови не наблюдалось (Steensburg et al., 2002). Полученные данные не умаляют значения этих молекул, но свидетельствуют о том, что молекулы не обязательно оказывают влияние на содержание клеток в крови.

СУБПОПУЛЯЦИИ ЛИМФОЦИТОВ

Важным компонентом приобретенного клеточного иммунитета являются Т-лимфоциты, которые играют значительную роль в защите против многих вирусных инфекций. Острая физическая нагрузка высокой интенсивности приводит к повышению количества обоих подтипов Т-клеток — Т-хелперов (Th; CD4+) и Т-цитотоксических клеток (Тс; CD8+) с последующим его уменьшением (Steensburg et al., 2002). Хелперные Т-клетки являются источником серии цитокинов, занимающих важное место в регуляции иммунного ответа. Цитотоксические Т-клетки поражают инфицированные вирусом или раковые клетки — при непосредственном контакте. Каждая из этих субпопуляций Т-клеток далее классифицируется по цитокинам, которые они продуцируют. Характерным признаком цитокинового ответа типа 1 является выработка интерферона-y (IFN-y) и интерлейкина-2 (IL-2), тогда как к цитокинам типа 2 относятся IL-4 и IL-6. Именно соотношение между этими типами Т-клеток и их цитокинами влияет на направленность иммунного ответа: будет ли он клеточным (тип 1) или гуморальным (тип 2). Это соотношение имеет важное значение для обеспечения эффективного иммуииого ответа. Сообщается о том, что после острой физической нагрузки количество клеток ТЫ может снижаться, тогда как численность клеток ТЬ2 остается практически неизменной (Steensburg et al., 2002). Более того, было обнаружено, что эти изменения могут быть обусловлены преимущественно снижением количества клеток памяти (CD45RO+) (Ibfelt et al., 2002). Снижение численности клеток памяти, наряду с уменьшением содержания цитокинов типа 1, происходящее в результате воздействия на иммунную систему физического стресса, может проявляться в утрате организмом способности эффективно противостоять вирусным инфекциям.

АКТИВАЦИЯ И АПОПТОЗ ЛИМФОЦИТОВ В КУЛЬТУРЕ IN VITRO

После распознавания специфического антигена in vivo происходит активация Т- и В-лимфоцитов с их последующим превращением в крупные клетки-бласты, которые проходят несколько циклов клеточного деления. Такая клональная экспансия антигенспецифичeских лимфоцитов гарантирует, что их количество будет достаточным для обеспечения эффективной защитной реакции. Клональное размножение может быть имитировано in vitro при стимуляции лимфоцитов поликлональными митогенами. Интенсивность синтеза ДНК в таких стимулированных клетках в течение достаточно долгого времени использовалась как оценка эффективности клеточного иммунитета. С помощью данного подхода удалось обнаружить, что сразу после интенсивных или продолжительных занятий физическими упражнениями часто наблюдается ингибирование синтеза ДНК в лимфоцитах крови (см. обзор MacKinnon et al., 2000а). Это ингибирование обычно кратковременное и уже через несколько часов после прекращения двигательной активности наблюдается нормальный клеточный ответ. Такой кинетический анализ предполагает, что наблюдаемое ингибирование можно объяснить, хотя бы отчасти, перераспределением клеток в крови, о котором свидетельствуют данные фенотипического анализа. Более того, оценка включения клетками тимидина, меченого ЗН (показатель интенсивности синтеза ДНК) является усредненной для всех клеток в культуре, и некоторые клетки могут быть просто некомпетентными или даже подвергаться клеточной смерти.

Исследования с использованием современных подходов показывают, что гибель лимфоцитов путем апоптоза может вносить свой вклад в наблюдаемое после физической нагрузки снижение пролиферативной активности лейкоцитов (Green, Rowbottom, 2003). Апоптоз представляет собой нормальный естественный механизм удаления клеток различного типа из организма, не связанный с воспалительной реакцией. Например, лимфоциты вступают в апоптоз после дифференцировки в случае, если они не встречаются со своим антигеном. В одной из последних публикаций было показано, что усиление апоптоза может быть одной из причин наблюдаемого снижения пролиферации лимфоцитов (Green, Rowbottom, 2003). Благодаря применению прижизненной окраски флуоресцентным красителем и проточного цитометрического анализа, этой группе исследователей удалось установить, что двигательная нагрузка оказывает влияние не на клеточное деление, а на процессы клеточной смерти. Таким образом, в данной работе общее снижение количества лимфоцитов рассматривалось как суммарный результат клеточной пролиферации и апоптоза, при этом апоптоз оказался преобладающим фактором. К сожалению, количество образцов, проанализированных в данном исследовании, было ограниченным, поэтому еще остается ждать подтверждения универсальности данного явления.

Еще в одной работе, в которой за процессами апоптоза наблюдали с использованием анексипа - белка, который связывается с мембраной апоптозных клеток, было показано, что физические упражнения с высоким (но не средним) уровнем интенсивности усиливают процесс апоптоза лимфоцитов (Mooren et al., 2001). По данным различных исследований, чрезмерно интенсивные упражнения вызывают изменения на клеточном уровне, которые могут инициировать процесс апоптоза, в частности повреждение ДНК, повышение уровня Са2+ (Mooren et al., 2001), свободных радикалов, кортизола и молекулярных лигандов “death-death ”. Однако, что именно является причиной апоптоза, а что его следствием, по-прежнему неизвестно. Является ли наблюдаемое усиление апоптоза свидетельством подавления функции иммунной системы или просто нормальным регуляторным механизмом, ассоциированным со стрессом физической нагрузки, неизвестно.

НАТУРАЛЬНЫЕ КЛЕТКИ-КИЛЛЕРЫ

Клетки-киллеры, составляющие приблизительно 5— 10 % общей численности клеток крови, обеспечивают быстрый и основной ответ на присутствие клеток, пораженных вирусной инфекцией, и, как предполагают, контролируют опухолевые клетки. Оценку количества и активности натуральных клеток-киллеров проводили при исследовании эффектов острой и хронической физической нагрузки. Как показано ниже, в одних работах было установлено существенное влияние двигательной активности на клетки-киллеры, а в других — нет. Анализируя обширный массив информации, имеющей отношение к натуральным клеткам-киллерам и их реакции на физическую нагрузку, Шепард и Шек (Shephard, Shek, 2000b) провели метаанализ существующей литературы. После рассмотрения многих параметров, среди которых был и вид двигательной активности, они пришли к выводу, что продолжительная двигательная активность со средней интенсивностью обычно вызывает повышение уровня клеток-киллеров в крови во время занятия, за которым следует его снижение, продолжающееся около 1 ч, и затем восстановление до нормального уровня в течение 2 ч после окончания занятия. И продолжительная, и короткая интенсивная двигательная активность сопровождаются изменениями количества клеток-киллеров, которые имеют почти однотипный характер, за исключением того, что величина этих изменений была выше в случае непродолжительной двигательной активности средней интенсивности, при этом уровень физической подготовленности на величину таких изменений не влиял. Предполагается, что причинами изменений количества клеток-киллеров в крови являются изменения величины сердечного выброса и усиление синтеза катехоламинов, происходящие во время продолжительной двигательной активности.

Существуют также сообщения о возрастании цитолитической активности клеток-киллеров, происходящем параллельно с увеличением их количества (MacKinnon, 2000а). Связан ли этот рост активности только с увеличением численности клеток либо имеет место реальное повышение удельной активности клеток-киллеров? Результаты большинства, хотя и не всех, исследований свидетельствуют о том, что удельная активность клеток-киллеров остается неизменной (Miles et al., 2002). В целом можно сделать вывод о том, что острая физическая нагрузка сопровождается кратковременным повышением и последующим снижением количества и активности натуральных клеток-киллеров. Вместе с тем данных, свидетельствующих о заметном влиянии этих колебаний количества и активности клеток-киллеров на состояние здоровья, в целом не имеется. Авторы рассмотренного выше метаанализа считают, что для более точного анализа влияния физической нагрузки на натуральные клетки-киллеры следует отбирать пробы крови для анализа во время двигательной активности на протяжении последующих 24 ч восстановительного периода и проводить определение катехоламинов, кортизола и простагландинов.

УРОВЕНЬ ИММУНОГЛОБУЛИНОВ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ГУМОРАЛЬНЫЙ ИММУНИТЕТ

Основой гуморального иммунного ответа является активность В-лимфоцитов — клеток иммунной системы, вырабатывающих иммуноглобулины, которые чаще называют антителами. Антитела представляют собой гликопротеидные молекулы, которые выполняют функцию высокоспецифичных рецепторов клеточной мембраны к чужеродным молекулам (антигенам), присущих всем патогенам и, в некоторых случаях, опухолевым клеткам. После связывания антител с клеточным рецептором антигенов происходит активация В-лимфоцитов и их превращение в плазмациты, которые в свою очередь вырабатывают значительные количества антител, выделяя их в кровь, слюну, а также ткани слизистых оболочек. Эти антитела обеспечивают защиту хозяина различными путями, включая нейтрализацию вируса, мечение бактерий для опсонизации фагоцитами, активацию комплемента, а также связывание и выведение инородных частиц. Основную часть иммуноглобулинов сыворотки крови составляют иммуноглобулины G (IgG), которые необходимы в реализации описанных выше механизмов защиты.

Таким образом, острые и хронические физические нагрузки не приводят к изменениям общего уровня иммуноглобулинов и, в частности, IgG (Mac-Kinnon, 2000а). Несмотря на появление в печати сообщения о снижении иммуноглобулинов в сыворотке крови профессиональных пловцов (Gleeson et al., 1995), у этих лиц не выявлено подавления образования антител после вакцинации, а также других заметных признаков подавления функции иммунной системы (Gleeson et al., 1996; Bruunsgaard et al., 1997b). Таким образом, двигательная активность не оказывает заметного влияния на В-клеточный (гуморальный) компонент иммунного ответа.

ИММУНИТЕТ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЙ ЗАЩИТУ СЛИЗИСТЫХ ОБОЛОЧЕК

Иммуноглобулины подтипов IgA и IgM встречаются в значительных количествах в тканях слизистых оболочек, например в слизистой оболочке, выстилающей ротовую полость и полость желудочно-кишечного тракта. Эти иммуноглобулины играют важную роль в защите от патогенов, проникающих в организм с воздухом и пищей. В отличие от общего уровня иммуноглобулинов в сыворотке крови, у профессиональных спортсменов обнаружено снижение уровня IgA в слюне после острой физической нагрузки (см. обзор Gleeson, Pyne, 2000). Эти результаты впервые были опубликованы в 1982 г. Томази с соавторами (Tomasi et al., 1982), сообщившими о снижении секреции IgA у спортсменов-лыжников. Первоначально авторы статьи предположили, что обнаруженное явление обусловлено влиянием низких температур. Однако впоследствии снижение уровня IgA было обнаружено также у профессиональных спортсменов в других видах спорта, таких, как плавание, большой теннис, марафонский бег, конькобежный и велосипедный спорт, хоккей и гребля на каяке (см. обзор Pedersen, Hofman-Goctz, 2000). Обычно в течение 1 ч после завершения занятия уровень IgA восстанавливался до исходной величины, только в отдельных случаях продолжительные физические тренировки сопровождались хроническим снижением содержания IgA в слюне. В случае упражнений средней интенсивности подобных изменений не наблюдалось. Изменения содержания IgA в слюне отражали общие изменения выработки этого иммуноглобулина и вызывали особый интерес в связи с повышенной частотой заболеваний верхних дыхательных путей у спортсменов в период интенсивных физических тренировок. Однако связать пониженный уровень иммуноглобулина А с повышенным риском возникновения заболеваний верхних дыхательных путей оказалось не так легко (Pyne et al., 2001; Novas ct al., 2003). Существует всего несколько работ, в которых обнаружено увеличение общего риска возникновения заболеваний в результате регулярной двигательной активности и высказано предположение о возможности использования оценки уровня иммуноглобулинов IgA и IgM в слюне для прогнозирования заболеваемости. Механизмы, посредством которых пониженный уровень IgA может быть взаимосвязан с повышением восприимчивости к инфекциям, не выходят за рамки предположений. Снижение уровня IgA в слюне может отражать общие изменения уровня секреции и содержания жидкости в организме, вызванные физическими упражнениями. Пониженный уровень иммуноглобулина А не связан с повышением уровня кортизола под воздействием физической нагрузки (McDowell et al., 1992; Dimitriou et aL, 2002). В регуляции уровня IgA могут принимать участие другие молекулы ответа на стресс, например простагландины (Tvede et al., 1984).