LL-37

Opis LL-37

LL-37 jest najszerzej badanym ludzkim peptydem przeciwdrobnoustrojowym. Jest to 37-aminokwasowy peptyd kationowy wytwarzany naturalnie w organizmie człowieka, głównie przez leukocyty wielojądrzaste, skórę, szpik kostny, neutrofile i makrofagi. Odkryta pod koniec lat 90. XX wieku podczas badań nad mechanizmami odporności wrodzonej, LL-37 powstaje w wyniku proteolitycznego rozszczepienia większej cząsteczki prekursorowej, znanej jako katelicydyna, która działa jako pierwsza linia obrony przed patogenami drobnoustrojowymi.

Peptyd ten jest w stanie eliminować bakterie, wirusy, grzyby i pleśnie, a także wywierać działanie przeciwzapalne. Ponadto wspomaga naprawę tkanek i angiogenezę, co czyni go obiecującym narzędziem terapeutycznym w leczeniu przewlekłych stanów zapalnych, chorób autoimmunologicznych i nowotworów. Ze względu na zdolność do działania przeciwko bakteriom wielolekoopornym, LL-37 jest również badany jako potencjalna alternatywa dla konwencjonalnych antybiotyków.

LL-37 posiada podwójny mechanizm działania: bezpośrednio niszczy błony bakteryjne i jednocześnie stymuluje odpowiedź immunologiczną. W kontekście badania tych efektów, rekombinowaną formę peptydu – GLL-37 – wytworzono w E. coli przy użyciu zastrzeżonego systemu ekspresji, uzyskując duże ilości. Jednakże ta rekombinowana postać nie wykazywała aktywności przeciwbakteryjnej porównywalnej z syntetyczną LL-37. Brak skuteczności przypisano różnicom w strukturze drugorzędowej; w szczególności GLL-37 przyjął konformację α-helikalną, która utrudnia skuteczną interakcję z błonami bakteryjnymi. Badanie potwierdziło, że obecność struktury kłębków nieuporządkowanych, jaką można znaleźć w natywnym LL-37, jest niezbędna do skutecznego rozrywania błony.

Badania potwierdzone efekty

1. LL-37 i choroby zapalne

Chociaż LL-37 jest przede wszystkim uznawany za peptyd przeciwdrobnoustrojowy, coraz więcej dowodów podkreśla jego kluczową rolę w patofizjologii chorób zapalnych i autoimmunologicznych, takich jak łuszczyca, toczeń rumieniowaty układowy, reumatoidalne zapalenie stawów i miażdżyca. LL-37 wykazuje zróżnicowane działanie immunomodulujące w zależności od mikrośrodowiska zapalnego. Należą do nich zwiększone wytwarzanie interferonu alfa (IFN-α) i interleukiny-18 (IL-18), zmniejszona apoptoza keratynocytów, zmieniona chemotaksja neutrofili i eozynofilów oraz zmniejszenie sygnalizacji receptora Toll-podobnego 4 (TLR4). Szczególnie interesujące jest obserwowane zmniejszenie objętości blaszek miażdżycowych związane z jego działaniem.

Badania eksperymentalne wykazały, że LL-37 moduluje odpowiedź immunologiczną w sposób zależny od kontekstu, zmieniając się w zależności od stanu aktywacji komórek odpornościowych. Na przykład LL-37 promuje odpowiedź prozapalną w nieaktywowanych limfocytach T, paradoksalnie zmniejszając aktywność zapalną po ich aktywacji. Ten podwójny efekt sugeruje homeostatyczną rolę LL-37 w dostrajaniu odpowiedzi immunologicznych, potencjalnie zapobiegając nadmiernej aktywacji układu odpornościowego w przewlekłych stanach zapalnych i chorobach autoimmunologicznych – w przeciwieństwie do wcześniejszych założeń, że jedynie zaostrza te stany.

Na poziomie molekularnym LL-37 wpływa na różnicowanie monocytów w makrofagi i promuje prozapalny fenotyp M1. Reguluje w dół cytokinę przeciwzapalną IL-10, jednocześnie zwiększając wytwarzanie IL-12p40 i wzmacniając sygnalizację, w której pośredniczy IL-1β. Niemniej jednak LL-37 wykazuje również znaczące działanie przeciwzapalne, takie jak hamowanie odpowiedzi cytokin na IFN-γ, TNF-α, IL-4 i IL-12. Dodatkowo LL-37 działa jako chemoatraktant poprzez receptor FPR2, indukując migrację neutrofili, eozynofilów i keratynocytów oraz wspierając regenerację tkanek. Aktywuje transkrypcję chemokiny CXCL8 oraz stymuluje wydzielanie MCP-1/CCL2 i TGF-β, odgrywając kluczową rolę w regulacji stanu zapalnego i gojenia ran.

2. LL-37 i aktywność przeciwdrobnoustrojowa

LL-37 jest kluczowym składnikiem wrodzonego układu odpornościowego skóry, aktywowanym jako jedna z pierwszych linii obrony w odpowiedzi na infekcję. Chociaż poziomy LL-37 i innych peptydów przeciwdrobnoustrojowych, takich jak ludzka beta-defensyna 2 (HBD-2), są minimalne w zdrowej skórze, kumulują się one w znacznym stopniu w stanach zapalnych skóry, takich jak łuszczyca. Analiza immunohistochemiczna biopsji skóry wykazała wysoką ekspresję LL-37 i HBD-2 w naskórku pacjentów z łuszczycą, w przeciwieństwie do znacznie niższych poziomów obserwowanych w zmianach u osób z atopowym zapaleniem skóry. Różnice te potwierdzono za pomocą immunodot blot, Western blot i ilościowej RT-PCR, przy czym zmiany łuszczycowe wykazały zasadniczo podwyższoną ekspresję mRNA dla obu peptydów. Testy aktywności przeciwdrobnoustrojowej wykazały, że połączenie LL-37 i HBD-2 wywiera efekt synergistyczny w zwalczaniu Staphylococcus aureus. Odkrycia te sugerują, że niewystarczająca produkcja peptydów przeciwdrobnoustrojowych, w tym LL-37, może być krytycznym czynnikiem przyczyniającym się do zwiększonej podatności pacjentów z atopowym zapaleniem skóry na bakteryjne infekcje skóry.

Peptyd wywiera swoje działanie przede wszystkim poprzez wiązanie się z lipopolisacharydem (LPS), kluczowym składnikiem zewnętrznej błony bakterii Gram-ujemnych, zakłócając w ten sposób integralność błony i wykazując silne działanie przeciwdrobnoustrojowe. Mechanizm ten sprawia, że ​​LL-37 jest obiecującym kandydatem do leczenia ciężkich infekcji bakteryjnych i sepsy. Badania wykazały, że nawet skrócone fragmenty LL-37 pozbawione hydrofobowych N-końcowych aminokwasów (fragmenty 106 i 110) zachowują zarówno właściwości przeciwdrobnoustrojowe, jak i neutralizujące LPS, jednocześnie wykazując zmniejszoną cytotoksyczność wobec komórek ludzkich i utrzymując skuteczność w obecności surowicy. Odkrycia te podkreślają potencjał zmodyfikowanych pochodnych LL-37 jako środków terapeutycznych o niższych profilach cytotoksycznych.

LL-37 wykazuje działanie przeciwdrobnoustrojowe nie tylko wobec bakterii Gram-ujemnych, ale także Gram-dodatnich, wzmacniając działanie lizozymu przeciwko Staphylococcus aureus. Oprócz zdolności do wiązania i neutralizacji LPS, LL-37 stwarza obiecujące możliwości terapeutyczne w leczeniu sepsy. Jednak jego zastosowanie kliniczne jest obecnie ograniczone ze względu na toksyczność i zmniejszoną aktywność w środowiskach bogatych w surowicę. Badania wskazują, że zmodyfikowane fragmenty LL-37 (106 i 110) zachowują skuteczność przeciwdrobnoustrojową i neutralizację LPS, a jednocześnie są mniej toksyczne i mniej podatne na hamowanie w surowicy, co czyni je atrakcyjnymi kandydatami do rozwoju terapeutycznego

3. LL-37 i choroby płuc

Lipopolisacharyd (LPS), obecny nie tylko w bakteriach, ale także w różnych organizmach środowiskowych, w tym w grzybach, stanowi istotny bodziec prozapalny, który odgrywa kluczową rolę w patogenezie chorób układu oddechowego, takich jak astma, przewlekła obturacyjna choroba płuc (POChP) i nadwrażliwe zapalenie płuc po wdychaniu. W odpowiedzi na LPS komórki nabłonka dróg oddechowych wytwarzają peptydy przeciwdrobnoustrojowe, w tym LL-37, który oprócz działania bakteriobójczego wykazuje szereg właściwości immunomodulacyjnych, takich jak stymulacja angiogenezy, proliferacja komórek nabłonkowych, zamykanie ran i uwalnianie cytokin. LL-37 neutralizuje również LPS, zmniejszając w ten sposób jego potencjał chorobotwórczy. Biorąc pod uwagę te właściwości, bada się podawanie wziewne LL-37 jako potencjalne podejście terapeutyczne w leczeniu zespołu toksycznego pyłu organicznego i innych zapalnych chorób płuc.

Jedyna katelicydyna ulegająca ekspresji u ludzi, LL-37, odgrywa kluczową rolę nie tylko w obronie przeciwdrobnoustrojowej, ale także w naprawie i regeneracji nabłonka dróg oddechowych. Badania wykazały, że peptyd ten wspomaga proliferację i migrację komórek nabłonkowych, znacząco przyczyniając się do zamknięcia ran i przywrócenia integralności tkanki. LL-37 ułatwia gojenie uszkodzeń wywołanych mechanicznie w komórkach nabłonka dróg oddechowych, a jego działanie jest zależne od surowicy i pośredniczy w szlakach sygnałowych obejmujących receptor naskórkowego czynnika wzrostu (EGFR), receptory sprzężone z białkiem G i kaskadę kinaz MAP/ERK. Ponadto LL-37 wzmaga angiogenezę, poprawiając w ten sposób dostarczanie składników odżywczych do nowo utworzonej tkanki. Właściwości te sugerują, że LL-37 działa jako regulator homeostazy w drogach oddechowych, gdzie nie tylko moduluje odpowiedzi immunologiczne, ale także wspiera strukturalną i funkcjonalną integralność nabłonka płuc.

4. LL-37 w zapaleniu stawów

Badania skupiające się na roli katelicydyny LL-37 w patogenezie reumatoidalnego zapalenia stawów (RZS) wskazują na jej wyraźne zwiększenie w błonach maziowych dotkniętych stawów. Podwyższoną ekspresję zaobserwowano szczególnie w granulocytach obojętnochłonnych, makrofagach i osteoklastach, co sugeruje silny związek pomiędzy obecnością peptydu a trwającymi procesami zapalnymi. Podobne wyniki potwierdzono w eksperymentach z użyciem zapalenia stawów wywołanego pristanem u szczurów, gdzie zwiększone poziomy rCRAMP (odpowiednik LL-37 u gryzoni) korelowano z akumulacją granulocytów, zwiększoną apoptozą, podwyższonym poziomem IFN-α i produkcją autoprzeciwciał. Pomimo tych obserwacji nie ma ostatecznych dowodów na to, że katelicydyny są bezpośrednią przyczyną choroby. Ich zwiększona obecność może natomiast odzwierciedlać konsekwencję odpowiedzi zapalnej, potencjalnie stanowiąc próbę modulowania stanu zapalnego przez organizm.

Dalsze badania sugerują, że brak LL-37 lub jego mysiego analogu CRAMP nie wpływa na postęp reumatoidalnego zapalenia stawów (RZS) lub tocznia rumieniowatego układowego (SLE) w modelach zwierzęcych. U myszy z niedoborem CRAMP nie zaobserwowano znaczących różnic w poziomach cytokin w surowicy, autoprzeciwciałach ani ekspresji genów stymulowanych interferonem w porównaniu ze zwierzętami kontrolnymi. Podobnie nie stwierdzono różnic w nasileniu stanu zapalnego, uszkodzeniu chrząstki ani erozji kości. Wyniki te potwierdzają hipotezę, że reaktywność na LL-37 w chorobach autoimmunologicznych jest epifenomenem wynikającym z ogromnej nadprodukcji peptydu w dotkniętych tkankach, przy czym sam peptyd nie odgrywa żadnej roli przyczynowej w rozwoju choroby. Ponadto jest prawdopodobne, że inne kationowe peptydy przeciwdrobnoustrojowe mogą funkcjonalnie kompensować jego brak.

Badania eksperymentalne na mysich modelach reumatoidalnego zapalenia stawów (RZS) wykazały, że peptydy pochodzące z ludzkiej katelicydyny LL-37, zwłaszcza peptyd IG-19, wykazują znaczący potencjał terapeutyczny. Podanie IG-19 do dotkniętych stawów spowodowało złagodzenie objawów klinicznych zapalenia stawów, redukcję przeciwciał swoistych dla kolagenu typu II, a także zmniejszenie nacieku komórek zapalnych i ochronę tkanki chrzęstnej. Efekty te sugerują, że LL-37 i jego pochodne mogą odgrywać rolę ochronną podczas chorób zapalnych, prawdopodobnie ze względu na ich właściwości przeciwzapalne i immunoregulacyjne. W przeciwieństwie do innych pochodnych katelicydyny, takich jak IDR-1018, działanie IG-19 było specyficzne i biologicznie aktywne, co podkreślało znaczenie peptydów dostosowanych pod względem sekwencji i funkcjonalności w opracowywaniu alternatywnych terapii chorób zapalnych.

Dalsze odkrycia sugerują, że LL-37 i IG-19 łagodzą stan zapalny, w którym pośredniczy interleukina-32 (IL-32), cytokina ściśle związana z ciężkością reumatoidalnego zapalenia stawów (RZS). Badania in vitro na ludzkich komórkach jednojądrzastych krwi obwodowej (PBMC) wykazały, że peptydy te znacząco hamują wytwarzanie cytokin prozapalnych, takich jak TNF-α i IL-1β, jednocześnie zwiększając wydzielanie cytokiny przeciwzapalnej IL-1RA. Mechanicznie wykazano, że LL-37 i IG-19 modulują szlaki sygnałowe, w których pośredniczy kinaza Src i aktywują podwójną fosfatazę MKP-1, znaną jako negatywny regulator stanu zapalnego. Odkrycia te stanowią solidną podstawę do opracowania ukierunkowanych terapii opartych na peptydach, które mogłyby skutecznie regulować stan zapalny bez uszczerbku dla naturalnej obrony immunologicznej, która ma kluczowe znaczenie w leczeniu chorób autoimmunologicznych, takich jak RZS.

Badania wskazują również, że receptor Toll-podobny 3 (TLR3) odgrywa znaczącą rolę w rozwoju i zaostrzeniu reumatoidalnego zapalenia stawów (RZS) poprzez aktywację fibroblastów maziowych (FLS), szczególnie gdy jest stymulowany przez limfocyty T. Zwiększona ekspresja TLR3 prowadzi do zwiększonej produkcji cytokin prozapalnych, takich jak IL-6 i IFN-β, a także metaloproteinaz macierzy, sprzyjając w ten sposób zapaleniu i uszkodzeniu tkanki stawowej. Aktywacja TLR3 przez poli(I:C) synergistycznie pogarszała zapalenie stawów u szczurów, podczas gdy jego blokada skutkowała zmniejszeniem objawów zapalnych. LL-37, peptyd obronny gospodarza, który może mieć działanie zarówno prozapalne, jak i przeciwzapalne, wiąże się z innymi receptorami Toll-podobnymi, takimi jak TLR4, i wykazał zdolność do selektywnego tłumienia odpowiedzi zapalnych w makrofagach. W badaniach eksperymentalnych zmniejszał wytwarzanie TNF-α i NO w spolaryzowanych makrofagach, nie pogarszając ich aktywności fagocytarnej i przeciwdrobnoustrojowej. Sugeruje to, że LL-37 może mieć potencjał terapeutyczny w zapaleniu stawów, szczególnie w odniesieniu do jego zdolności do celowania w odpowiedzi zapalne bez uszczerbku dla kluczowych funkcji komórek odpornościowych, chociaż jej specyficzne działanie w kontekście TLR3 pozostaje niewystarczająco zbadane.

5. Badania LL-37 w kontekście raka jelita grubego

Badania nad wpływem LL-37 w kontekście nowotworów dały mieszane wyniki – podczas gdy w niektórych typach nowotworów, takich jak rak płuc, piersi czy prostaty, LL-37 sprzyja wzrostowi nowotworu, w innych, takich jak rak jelita grubego, rak żołądka, nowotwory hematologiczne czy rak płaskonabłonkowy jamy ustnej, wykazuje działanie przeciwnowotworowe. Te rozbieżne reakcje są prawdopodobnie spowodowane aktywacją różnych receptorów błonowych na powierzchni komórek nowotworowych, które pośredniczą w odpowiedziach specyficznych dla tkanki. Szczególnie interesujący jest związek pomiędzy LL-37 a witaminą D, która indukuje jej ekspresję, a tym samym wzmacnia aktywność przeciwnowotworową makrofagów związanych z nowotworem (TAM), w tym zwiększoną cytotoksyczność zależną od przeciwciał (ADCC). Mechanizm ten może wyjaśniać pozytywny wpływ witaminy D na zmniejszenie ryzyka nowotworów przewodu pokarmowego i sugeruje, że LL-37 może odgrywać ważną rolę ochronną w przypadku nowotworów jelita grubego i żołądka.

6. LL-37 w angiogenezie

Peptyd LL-37 odgrywa znaczącą rolę w promowaniu wzrostu naczyń krwionośnych (angiogenezy). Badania wykazały, że LL-37 stymuluje syntezę prostaglandyny E2 (PGE2) w komórkach śródbłonka poprzez szlak cPLA2 → COX-1 → PGE2, prowadząc do aktywacji receptora EP3 i późniejszej angiogenezy. Synteza ta jest zależna od dawki i osiąga szczyt po około 4 godzinach po podaniu LL-37. W przeciwieństwie do innych mechanizmów zapalnych, w procesie tym uczestniczy przede wszystkim cyklooksygenaza COX-1, a nie COX-2, co potwierdza jej wrażliwość na hamowanie aspiryny. Ta ścieżka to miecz obosieczny – wspomaga gojenie się ran i regenerację tkanek, ale może także ułatwiać patologiczny wzrost naczyń krwionośnych, np. w nowotworach. Dlatego oś LL-37/COX-1/PGE2/EP3 wydaje się być potencjalnym celem interwencji terapeutycznych w chorobach związanych z nadmierną lub niewystarczającą angiogenezą.

Referencje

Antonín Pavelka, Lukáš Vacek, Adam Norek, Šárka Kobzová, Lubomír Janda, „Recombinant Manufacturing of human antimicrobial Peptic LL-37 and his drugostruktura”, tom 79, strony 263–273, (2024) J. M. Kahlenberg i M. J. Kaplan, „Mały peptyd, duże efekty: rola LL-37 w stanach zapalnych i chorobach autoimmunologicznych”, J. Immunol. Baltim. Md 1950, tom. 191, nie. 10 listopada 2013. D. S. Alexandre-Ramos i wsp., „Traktowanie LL-37 ludzkimi jednojądrzastymi komórkami krwi obwodowej moduluje odpowiedź immunologiczną i promuje wytwarzanie regulatorowych komórek T”, Biomed. Farmakolog. Biomedecine Pharmacother., tom. 108, s. 1584–1590, grudzień 2018. P. Y. Ong i wsp., „Endogenne peptydy przeciwdrobnoustrojowe i zakażenia skóry w atopowym zapaleniu skóry”, N. Engl. J. Med., tom. 347, nie. 15, s. 1151–1160, październik 2002. C. D. Ciornei, T. Sigurdardóttir, A. Schmidtchen i M. Bodelsson, „Aktywność przeciwdrobnoustrojowa i chemoatraktant, neutralizacja lipopolisacharydów, cytotoksyczność i hamowanie przez surowicę analogów ludzkiej katelicydyny LL-37”, Antimicrob. Agenci Chemother., tom. 49, nie. 7, s. 2845–2850, lipiec 2005. X. Chen i wsp., „Synergistyczne działanie środków przeciwbakteryjnych, ludzkich β-defensyn, katelicydyny LL-37 i lizozymu przeciwko Staphylococcus aureus i Escherichia coli”, J. Dermatol. Sci., tom. 40, nie. 2, s. 123–132, listopad 2005. M. Golec, „Katelicydyna LL-37: peptyd neutralizujący LPS, plejotropowy”, Ann. Rolnictwo. Otaczać. Med. AAEM, tom. 14, nie. 1, s. 1–4, 2007. R. Shaykhiev i wsp., „Ludzki endogenny antybiotyk LL-37 stymuluje proliferację komórek nabłonka dróg oddechowych i zamykanie ran”, Am. J. Physiol. Komórka płuc. Mol. Fizjol., tom. 789, nie. 5, s. L842-848, listopad 2005. M. H. Hoffmann i wsp., „Katelicydyny LL-37 i rCRAMP są powiązane z patogennymi zdarzeniami zapalenia stawów u ludzi i szczurów”, Ann. Katar. Dis., tom. 72, nie. 7, s. 1239–1248, lipiec 2013. D. Kienhöfer i wsp., „Brak dowodów na patogenne zaangażowanie katelicydyn w kohortach pacjentów i mysich modelach tocznia i zapalenia stawów”, PloS One, tom. 9, nie. 12, s. 12 e115474, 2014. L. N. Y. Chow i wsp., „Ludzki peptyd IG-19 pochodzący z katelicydyny LL-37 zapewnia ochronę w mysim modelu zapalenia stawów wywołanego kolagenem”, Mol. Immunol., tom. 57, nie. 2, s. 86–92, luty 2014. K.-Y. G. Choi, S. Napper i N. Mookherjee, „Ludzka katelicydyna LL-37 i jej pochodna IG-19 regulują zapalenie wywołane interleukiną-32”, Immunology, tom. 143, nie. 1, s. 68–80, wrzesień 2014. W. Zhu i wsp., „Zapalenie stawów jest związane z indukowaną przez komórki T regulacją w górę receptora Toll-podobnego 3 na fibroblastach maziowych”, Arthritis Res. Ther., tom. 13, nie. 3, s. R103, czerwiec 2011. K. L. Brown i wsp., „Peptyd obronny gospodarza LL-37 selektywnie zmniejsza prozapalne odpowiedzi makrofagów”, J. Immunol. Baltim. Md 1950, tom. 186, nie. 9, s. 5497–5505, maj 2011. J.-M. Otte i wsp., „Efekty katelicydyny LL-37 na integralność bariery nabłonkowej jelit”, Regul. Pept., tom. 156, nie. 1–3, s. 104–117, sierpień 2009. J.-M. Otte i wsp., „Human beta defensyna 2 wspomaga gojenie się ran jelit in vitro”, J. Cell. Biochem., tom. 104, nie. 6, s. 2286–2297, sierpień 2008. X. Chen i wsp., „Role i mechanizmy ludzkiej katelicydyny LL-37 w raku”, Cell. Fizjol. Biochemia. Wewnętrzne J. Exp. Komórka. Fizjol. Biochemia. Pharmacol., tom. 47, nie. 3, s. 1060–1073, 2018. Salvado M. Dolores, Di Gennaro Antonio, Lindbom Lennart, Agerberth Birgitta i Haeggström Jesper Z., „Katelicydyna LL-37 Induces Angiogenesis via PGE2–EP3 Signaling in Endothelial Cells, In Vivo Inhibition by Aspirin”, Arterioscler. Throm. Vasc. Biol., tom. 33, nie. 8, s. 1965–1972, sierpień 2013. D. Xhindoli, S. Pacor, M. Benincasa, M. Scocchi, R. Gennaro i A. Tossi, „The human catelicydin LL-37 — tworzący pory antybakteryjny peptyd i modulator komórek gospodarza”, Biochim. Biofizyka. Acta BBA - Biomembr., tom. 1858, nie. 3, s. 546–566, marzec 2016.

Wyniki testów strony trzeciej