Fagocytoza - czym jest i jak przebiega? Rola fagocytozy w organizmie

Fagocytoza to jeden z najbardziej podstawowych, a jednocześnie najskuteczniejszych mechanizmów obronnych organizmu człowieka. Odpowiednie funkcjonowanie procesu fagocytozy jest niezbędną składową prawidłowej odpowiedzi immunologicznej (odpornościowej). Dowiedz się, czym dokładnie jest fagocytoza, jak przebiega proces fagocytozy, do czego jest potrzebna fagocytoza oraz jakie skutki mogą mieć zaburzenia fagocytozy?

Spis treści

1. Czym jest fagocytoza?
2. Rola fagocytozy w organizmie
3. Jakie komórki posiadają zdolność fagocytozy?
4. Fagocytoza - rodzaje
5. Fagocytoza – etapy
6. Fagocytoza – i co dalej?
7. Sposoby unikania fagocytozy przez drobnoustroje
8. Zaburzenia fagocytozy

Fagocytoza polega na pochłanianiu patogenów, fragmentów martwych komórek oraz drobnych cząsteczek przez wyspecjalizowane komórki, zwane fagocytami. Fagocytozę można porównać do "sprzątania" na poziomie komórkowym - dzięki niej komórki mogą pozbywać się niepotrzebnych bądź niebezpiecznych elementów.

Czym jest fagocytoza?

Fagocytoza to proces biologiczny, polegający na pochłanianiu przez komórkę obcych cząstek. Zjawisko fagocytozy jest powszechne u wielu organizmów żywych - te najbardziej prymitywne (np. pierwotniaki) wykorzystują fagocytozę jako sposób pobierania pokarmu ze środowiska zewnętrznego.

U człowieka zdolność do fagocytozy jest wykorzystywana przede wszystkim przez komórki układu odpornościowego.

Fagocytoza należy do mechanizmów odporności wrodzonej, czyli nieswoistej. Proces fagocytozy stanowi więc jedną z pierwszych i podstawowych linii obronnych naszego organizmu. Oprócz swej roli w układzie odpornościowym, fagocytoza ma ogromne znaczenie dla zachowania homeostazy (inaczej równowagi) tkankowej.

Fagocytoza pozwala na usuwanie martwych i zniszczonych komórek własnego organizmu, co z kolei umożliwia sprawną regenerację i przebudowę wszystkich tkanek.

Fagocytoza jest jednym z rodzajów endocytozy, czyli przenoszenia cząsteczek ze środowiska zewnętrznego do wnętrza komórki. W fagocytozie pochłonięciu ulegają cząstki stałe: komórka fagocytująca najpierw otacza je fragmentem własnej błony komórkowej, a następnie wciąga do swojego wnętrza. W ten sposób powstaje pęcherzyk zawierający pochłoniętą cząstkę, zwany fagosomem.

Zawartość fagosomu zostaje następnie strawiona za pomocą szeregu substancji chemicznych oraz enzymów. Cały proces przypomina "zjadanie" cząstki przez komórkę, co zresztą znajduje odzwierciedlenie w pojęciu fagocytoza.

Nazwa pochodzi bowiem od greckiego phagein oznaczającego "jeść, pożerać".

Fagocytoza zachodzi w naszym organizmie nieustannie – miliardy fagocytów cały czas "pożerają" niebezpieczne mikroorganizmy, fragmenty martwych komórek czy niepotrzebnych cząsteczek. Jest to proces powszechny, aczkolwiek niezwykle skomplikowany.

Prawidłowe rozpoznanie celu przez komórkę fagocytującą oraz właściwa interakcja pomiędzy fagocytem a obiektem "ataku" wymaga ciągłej współpracy rozmaitych białek, cząsteczek sygnałowych, przeciwciał oraz komórek pomocniczych.

Rola fagocytozy w organizmie

Nietrudno się domyślić, że podstawowym zastosowaniem procesu fagocytozy jest obrona naszego organizmu przed patogenami. Wniknięcie czynnika zakaźnego do wnętrza organizmu rozpoczyna kaskadę sygnałów, mających "przywołać" komórki fagocytujące do miejsca infekcji.

Rozpoczyna się ostry stan zapalny, którego rolą jest unieszkodliwienie patogenu. Fagocyty napływają wraz z krwią do ogniska chorobowego, stanowiąc jeden z najważniejszych mechanizmów pierwotnej odpowiedzi immunologicznej. W miejscu stanu zapalnego fagocyty "pożerają" zarówno patogeny, jak i uszkodzone przez nie komórki.

W przebiegu infekcji mamy do czynienia z jeszcze jednym, bardzo ważnym rodzajem fagocytozy. Jest nim tak zwana eferocytoza.

Proces eferocytozy polega na pochłanianiu obumierających komórek w momencie ustępowania stanu zapalnego. Kiedy fagocyty spełnią już swoją funkcję i wyeliminują patogeny, stają się niepotrzebne.

Dochodzi wówczas do ich naturalnego obumierania, po którym następuje eferocytoza, czyli "sprzątanie pola bitwy". Ten rodzaj fagocytozy wygasza stan zapalny i umożliwia powrót organizmu do stanu sprzed infekcji.

W tym miejscu warto podkreślić, że obumieranie komórek w naszym organizmie to proces zachodzący nieustannie, a nie tylko wskutek infekcji. Każda komórka posiada określony czas żywotności, po którym obumiera i zostaje zastąpiona nową. Proces zaprogramowanego obumierania komórki nazywamy apoptozą.

Apoptoza jest zjawiskiem naturalnym, umożliwiającym stałą odnowę naszych tkanek. Aby obumierające komórki mogły zostać zastąpione ich nowymi odpowiednikami, muszą wpierw zostać uprzątnięte. Jak nietrudno się domyślić, jest to również zadanie fagocytów.

Apoptotyczne (obumierające) komórki wystawiają na powierzchni swoich błon komórkowych specjalne sygnały, umożliwiające ich rozpoznanie i neutralizację przez fagocyty.

W takim przypadku fagocytoza zachodzi bez udziału stanu zapalnego. Widzimy więc, że fagocytoza to nie tylko metoda obrony przed obcymi mikroorganizmami, ale także proces umożliwiający rozwój, przebudowę i odnowę wszystkich tkanek.

Jakie komórki posiadają zdolność fagocytozy?

Komórki zdolne do przeprowadzania fagocytozy nazywamy fagocytami. W zależności od sprawności i efektywności prowadzonej fagocytozy, wyróżniamy tzw. fagocyty profesjonalne i nieprofesjonalne.

Fagocyty nieprofesjonalne zajmują się fagocytozą "dorywczo" - ten proces nie jest ich głównym zadaniem. Czasem jednak zdarza się, że w otoczeniu tych komórek pojawią się cząsteczki/fragmenty martwych komórek wymagające uprzątnięcia.

Wówczas wykazują one pewną aktywność fagocytarną, choć w porównaniu z fagocytami profesjonalnymi, jest ona znacznie ograniczona i mniej efektywna. Do fagocytów nieprofesjonalnych zalicza się wiele rodzajów komórek, m.in. komórki nabłonka, niektóre komórki tkanki łącznej, a także śródbłonek naczyniowy.

Fagocyty profesjonalne to główne komórki odpowiedzialne za fagocytozę w naszym organizmie. Wśród nich wyróżniamy przede wszystkim neutrofile, monocyty oraz makrofagi. Komórki te należą do rodziny leukocytów, czyli białych krwinek, pełniących głównie funkcje odpornościowe. Wszystkie trzy rodzaje fagocytów profesjonalnych specjalizują się w fagocytozie, choć każdy z nich przeprowadza ją nieco inaczej.

Neutrofile to główne komórki odpowiedzialne za powstawanie ostrego stanu zapalnego. W normalnych warunkach neutrofile krążą wraz z krwią po całym organizmie. Gdy rozpoczyna się infekcja, komórki te natychmiast skupiają się w ognisku chorobowym. Fagocytoza prowadzona przez neutrofile jest szybka i intensywna: komórki te posiadają szerokie spektrum sposobów unieszkodliwiania pochłoniętych patogenów.

Monocyty, podobnie jak neutrofile, krążą w krwiobiegu, jednakże mogą się z niego wydostawać i zasiedlać różne tkanki. Dojrzałe monocyty przekształcają się wówczas w makrofagi tkankowe. Fagocytoza prowadzona przez makrofagi przebiega mniej gwałtownie i jest znacznie powolniejsza. Makrofagi stanowią główną pulę komórek spotykanych w miejscach przewlekłego odczynu zapalnego.

Fagocytoza - rodzaje

Fagocytoza to skomplikowany proces, którego przebieg uzależniony jest od rodzaju komórki fagocytującej, obiektu ulegającego fagocytozie oraz wielu cząsteczek pośredniczących. Wyróżniamy dwie podstawowe ścieżki przebiegu fagocytozy:

• fagocytoza spontaniczna (tzw. natywna)

Jest to stosunkowo powolnie zachodząca fagocytoza, rzadko uczestnicząca w odpowiedzi przeciwdrobnoustrojowej. Rolą fagocytozy spontanicznej jest natomiast usuwanie obumarłych komórek oraz „sprzątanie” niepotrzebnych elementów w obrębie tkanek. Aby zapoczątkować fagocytozę spontaniczną, konieczne jest pobudzenie tzw. "receptorów zmiataczy" (z ang. scavenger receptors) obecnych przede wszystkim na makrofagach. Ten rodzaj fagocytozy ma charakter przeciwzapalny.

• fagocytoza ułatwiona

Fagocytoza ułatwiona przebiega znacznie szybciej i wydajniej niż fagocytoza spontaniczna. Dzięki temu osiąga dużą skuteczność w niszczeniu patogenów. Aby proces fagocytozy mógł zachodzić tak intensywnie, konieczne są - jak sama nazwa wskazuje - pewne ułatwienia.

W jaki sposób można ułatwić fagocytom ich działalność? Jedną z najpowszechniejszych metod jest specjalne "oznakowanie" obiektów, które powinny zostać unieszkodliwione. Taki proces nazywamy opsonizacją.

Istotą opsonizacji jest przyłączenie się pewnych cząsteczek do powierzchni drobnoustroju. Tak "naznaczony" patogen zostaje szybko namierzony i zniszczony przez komórki żerne. Cząsteczki umożliwiające opsonizację nazywamy opsoninami. Są to głównie przeciwciała oraz składowe tzw. układu dopełniacza.

Opsoniny sprawnie rozpoznają patogeny, oznaczają je i w ten sposób znacznie ułatwiają przebieg procesu fagocytozy.

Fagocytoza – etapy

Wiemy już, które komórki, kiedy i dlaczego zajmują się fagocytozą. Spróbujmy zatem dokładnie prześledzić przebieg tego procesu:1. Aktywacja i napływ fagocytów do miejsca infekcjiWniknięcie drobnoustroju do wnętrza organizmu powoduje natychmiastowe pobudzenie układu odpornościowego. Komórki znajdujące się we wrotach zakażenia zaczynają wysyłać sygnał istniejącego zagrożenia.

Cząsteczki przekaźnikowe (przede wszystkim tzw. cytokiny prozapalne) są roznoszone po całym krwiobiegu. W ten sposób fagocyty „dowiadują się”, że doszło do infekcji i ulegają aktywacji.

Zaktywowane fagocyty wraz z krwią docierają do miejsca zakażenia. Sprawny napływ fagocytów do właściwej lokalizacji jest możliwy dzięki tzw. chemotaksji. Jest to proces ukierunkowanego przemieszczania się komórek pod wpływem sygnałów chemicznych.

Aktywne fagocyty posiadają również zdolność przechodzenia przez ściany naczyń krwionośnych, tworząc naciek zapalny w miejscu infekcji.

2. Rozpoznanie patogenu

Kiedy fagocyty dotrą do miejsca zakażenia, zaczynają rozpoznawać patogeny. Ten proces bywa często ułatwiony przez inne cząsteczki (patrz pkt. 4 - fagocytoza ułatwiona). Każdy fagocyt posiada na powierzchni swojej błony komórkowej tzw. receptory, czyli białka umożliwiające rozpoznawanie rozmaitych cząsteczek.

Kiedy dojdzie do pobudzenia receptorów odpowiedzialnych za rozpoznawanie drobnoustrojów, fagocyt ściśle wiąże się z obiektem swojego ataku.

3. Pochłanianie patogenu

Fagocyt "sklejony" z patogenem rozpoczyna proces jego pochłaniania. Błona komórkowa fagocytu zaczyna otaczać patogen, "wspinając" się po jego brzegach. W ten sposób powstaje pęcherzyk zawierający drobnoustrój. Pęcherzyk ten, zwany fagosomem, znajduje się obecnie wewnątrz komórki fagocytującej. Aby w pełni unieszkodliwić drobnoustrój, konieczne jest zniszczenie zawartości fagosomu.

Trawienie zawartości fagosomu

Aby mogło dojść do strawienia zawartości fagosomu, konieczne jest dostarczenie enzymów trawiennych do jego wnętrza. Takie enzymy są magazynowane w specjalnych pęcherzykach, zwanych lizosomami.

Ostatni etap fagocytozy wymaga więc połączenia zawartości lizosomów z zawartością fagosomu – w ten sposób powstaje tzw. fagolizosom.

Enzymy zawarte w lizosomach potrafią rozkładać większość złożonych substancji chemicznych, co prowadzi do zniszczenia drobnoustroju. Eliminację patogenu z udziałem enzymów trawiennych nazywamy tlenoniezależną.

Jak łatwo się domyślić, istnieje również eliminacja tlenozależna. Przebiega ona znacznie gwałtowniej i skuteczniej, jednakże potrafią jej dokonać tylko niektóre fagocyty. Eliminacja tlenozależna zachodzi wyłącznie w komórkach posiadających zdolność generowania tzw. "wybuchu tlenowego".

Wybuch tlenowy to nagłe uwolnienie bardzo aktywnych form tlenu (np. cząsteczek wody utlenionej), które wykazują silne działanie przeciwdrobnoustrojowe. Wybuch tlenowy rozpoczyna ciąg reakcji chemicznych, prowadzących do szybkiej eliminacji patogenów. Tlenozależne niszczenie drobnoustrojów jest charakterystyczne przede wszystkim dla neutrofilów.

Fagocytoza – i co dalej?

Proces fagocytozy kończy się strawieniem zawartości fagosomu wewnątrz komórki. Co dzieje się później z resztkami zniszczonych cząsteczek? Komórka fagocytująca pozbywa się większości zbędnych produktów, zwyczajnie "wyrzucając" je na zewnątrz. Część materiału pozostałego po strawieniu może być jednak bardzo przydatna.

Niektóre fagocyty pełnią bowiem również inne role w układzie odpornościowym. Dobrym przykładem są makrofagi, które oprócz fagocytozy, zajmują się także tzw. prezentacją antygenów. Prezentacja antygenu polega na pokazywaniu innym komórkom odpornościowym fragmentów zniszczonych drobnoustrojów.

Makrofag po zakończeniu fagocytozy patogenu wystawia część sfagocytowanego materiału na swojej powierzchni, a następnie "wędruje" z nią po całym organizmie.

Każda napotkana przez niego komórka układu odpornościowego "uczy się" dzięki temu, jak rozpoznać dany patogen. Jest to zjawisko niesłychanie istotne w budowaniu sprawnych mechanizmów obrony przeciwdrobnoustrojowej.

Warto również wiedzieć, że proces fagocytozy nie zawsze kończy się ostatecznym zniszczeniem drobnoustroju. Istnieją patogeny zdolne do przeżywania wewnątrz fagosomów dzięki specjalnie wykształconym mechanizmom obronnym. Dobrym przykładem są prątki gruźlicy, które potrafią przeżyć wewnątrz makrofagów przez wiele lat. 

Sposoby unikania fagocytozy przez drobnoustroje

Fagocytoza jako sposób eliminacji "biologicznych przeciwników" jest mechanizmem bardzo starym. Z tego powodu, część drobnoustrojów na drodze ewolucji zdołała wykształcić sposoby uniknięcia lub przetrwania fagocytozy. Oto ich przykłady:

• zabijanie fagocytów

Najprostszym sposobem uniknięcia fagocytozy wydaje się unieszkodliwienie komórki, która ją prowadzi. Niektóre drobnoustroje posiadają zdolność wytwarzania substancji nieodwracalnie uszkadzających fagocyty. Przykładem takiego patogenu jest gronkowiec złocisty (łac. Staphylococcus aureus), produkujący toksyny, które poprzez niszczenie błony komórkowej fagocytów powodują ich obumieranie.

• wygaszanie odpowiedzi zapalnej

Stan zapalny powstający we wrotach zakażenia ułatwia przesyłanie sygnału dotyczącego infekcji. Dzięki niemu możliwa jest aktywacja oraz przybycie fagocytów do właściwej lokalizacji. Istnieją patogeny zdolne do maskowania się w taki sposób, by nie zostać rozpoznanym przez układ odpornościowy gospodarza i uniknąć wywołania stanu zapalnego.

• unikanie opsonizacji

Opsonizacja, czyli specjalne "znakowanie" patogenów, jest jednym z najefektywniejszych sposobów ułatwiania fagocytozy. Nic dziwnego więc, że drobnoustroje starają się jej uniknąć. Niektóre szczepy gronkowców potrafią niszczyć opsoniny bądź ukrywać je na swojej powierzchni.

• unikanie rozpoznania przez fagocyt

Aby rozpoczął się proces fagocytozy, konieczne jest rozpoznanie szkodliwości danego drobnoustroju przez fagocyt. Niektóre patogeny, jak np. krętki Treponema pallidum wywołujące kiłę, potrafią przyczepiać do swojej powierzchni antygeny podobne do komórek gospodarza. Układ odpornościowy rozpoznaje je wówczas jako własne, co pozwala patogenom uniknąć fagocytozy.

• blokada wytwarzania fagosomu

Jednym z kluczowych etapów fagocytozy jest otoczenie atakowanego drobnoustroju pęcherzykiem, który następnie zostaje wchłonięty do wnętrza komórki. W naturze istnieje jednak wiele sposobów na jego uniknięcie. Niektóre mikroby wytwarzają substancje powodujące rozpad ściany fagosomu. Innego mechanizmu używa pałeczka ropy błękitnej (Pseudomonas aeruginosa). Ta bakteria wytwarzająca wokół siebie śliską otoczkę (biofilm), uniemożliwiającą powstanie owego pęcherzyka.

• przeżycie wewnątrz fagocytu

Ostatecznym miejscem bytowania patogenów podczas fagocytozy staje się fagolizosom. Jego środowisko jest skrajnie nieprzyjazne; znajduje się w nim mnóstwo enzymów i substancji bójczych. Drobnoustroje potrafią jednak wykształcać mechanizmy, umożliwiające im przeżycie nawet w tak trudnych warunkach. Jednym z przykładów jest prątek gruźlicy (Mycobacterium tuberculosis). Ta bakteria wytworzyła szczególną błonę komórkową o bardzo dużej zawartości lipidów, na którą nie działają standardowe enzymy trawienne.

• ucieczka z fagosomu

Choć ucieczka z fagosomu brzmi dość niewiarygodnie, w istocie istnieją drobnoustroje, które wykształciły tak sprytny mechanizm obronny. Bakterie z gatunku Listeria monocytogenes wytwarzają substancje zdolne do zniszczenia ściany fagosomu. Co więcej, ten patogen po ucieczce z fagosomu potrafi namnażać się wewnątrz fagocytu, a także wydostawać się dalej poza jego obręb.

Zaburzenia fagocytozy

Prawidłowo przebiegający proces fagocytozy ma fundamentalne znaczenie dla sprawnego działania systemu odpornościowego. Zaburzenia niektórych etapów fagocytozy leżą u podłoża chorób związanych z niedoborami odporności. Przykładami takich schorzeń są:

• Przewlekła choroba ziarniniakowa

Przyczyną przewlekłej choroby ziarniniakowej jest zaburzenie fagocytozy na etapie generowania wybuchu tlenowego. Brak odpowiedniego enzymu (tzw. oksydazy NADPH) uniemożliwia powstawanie reaktywnych form tlenu, co z kolei nie pozwala na szybką i skuteczną eliminację drobnoustrojów.

Uszkodzenie enzymu ma tło genetyczne, dlatego póki co nie istnieje metoda przyczynowego leczenia choroby. W przebiegu przewlekłej choroby ziarniniakowej dochodzi do częstych infekcji oraz powstawania ropni i ziarniniaków z powodu niewydolnego systemu wewnątrzkomórkowej eliminacji patogenów.

Czytaj też: Ziarniniakowatość Wegenera: przyczyny, objawy i leczenie

• Zespół Chediak- Higashi

W zespole Chediak-Higashi mamy do czynienia z defektem fagocytozy na etapie połączenia fagosomu z lizosomem. Mutacja genetyczna jednego z białek uniemożliwia przeniesienie enzymów trawiennych do pęcherzyka zawierającego patogen, nie dopuszczając tym samym do jego eliminacji.

Oprócz istotnego upośledzenia odporności, dla zespołu Chediak-Higashi charakterystyczny jest także albinizm oraz zaburzenia funkcjonowania układu nerwowego.

O autorze

Krzysztofa Białożyt

Studentka medycyny na Collegium Medicum w Krakowie, powoli wkraczająca w świat ciągłych wyzwań pracy lekarza. Szczególnie zainteresowana ginekologią i położnictwem, pediatrią oraz medycyną stylu życia. Miłośniczka języków obcych, podróży i górskich wędrówek.

Czytaj więcej artykułów tej autorki

Krzysztofa Białożyt