Laktoferyna – białko multifunkcjonalne

PrzezRedakcja Aptekarza Polskiego

Jest to glikoproteina o masie cząsteczkowej około 80 kDa, składająca się z pojedynczego łańcucha polipeptydowego, w którego skład wchodzą dwa płaty: N-końcowy i C-końcowy, połączone krótkim odcinkiem α-helisy. Każdy płat składa się natomiast z dwóch domen, odpowiednio N1 i N2 oraz C1 i C2. W zależności od pochodzenia część cukrową laktoferyny stanowi około 6,5% – ludzka laktoferyna (HLF), a około 11,2% – bydlęca laktoferyna (BLF). Różna jest również ilość reszt aminokwasowych zarówno w formie prebiałka (703-HLF, 705-BLF), jak i w formie wydzielniczej (692-HLF, 689-BLF). Białko to występuje w organizmie w dwóch formach: niezwiązanej z żelazem – jako apo-laktoferyna oraz związanej z żelazem jako holo-laktoferyna [1, 4, 10].  

Laktoferynę (LF) po raz pierwszy wykryto w mleku krowim w latach 30-tych XX wieku, natomiast w 1960 roku została wyizolowana z mleka ludzkiego. W późniejszych latach jej obecność stwierdzono na powierzchni błon śluzowych żołądka, jelita cienkiego, w komórkach wydzielniczych gruczołu sutkowego, węzłach chłonnych, wydzielinie śluzowej oskrzeli oraz dróg rodnych, ziarnistościach granulocytów obojętnochłonnych, a także w wielu innych tkankach. LF występuje powszechnie w organizmie, jest wytwarzana przez komórki nabłonkowe różnych narządów, a następnie uwalniana do odpowiednich wydzielin takich jak np.: mleko, ślina, łzy, płyn mózgowo-rdzeniowy, płyn nasienny, występuje również w moczu, kale, żółci, pocie i woskowinie usznej. W większości nabłonków tkanek, laktoferyna wytwarzana jest w sposób stały, a w części podlega regulowanej ekspresji np.: w granulocytach, tkankach macicy i gruczołu sutkowego [1, 4, 6, 8].

Glikoproteinie tej można przypisać wiele funkcji i zadań takich jak: działanie przeciwmikrobiologiczne, hamowanie wzrostu nowotworów, działanie regulacyjne na funkcjonowanie układu odpornościowego, ochronę przed stresem oksydacyjnym, udział w przyswajaniu składników odżywczych, wpływ na ochronę i wzrost tkanek jelita, na metabolizm tkanki kostnej, glukozy i lipidów, gojenie ran. Posiada ona także właściwości przeciwbólowe i hipotensyjne. Laktoferyna należy do rodziny transferyn, posiada zdolność odwracalnego wiązania jonów żelaza (dwa jony żelaza na każdą cząsteczkę laktoferyny), przez co bierze udział w metabolizmie tego mikroelementu. Udział w metabolizmie żelaza należy do jednej z najważniejszych funkcji laktoferyny [4, 6, 10].

Aktywność antybakteryjna laktoferyny wiąże się z jej zdolnością do chelatowania jonów żelaza przez co utrudnia bakteriom dostęp do niego. Sekwestracja (wychwytywanie) żelaza jest możliwa przy dużych stężeniach laktoferyny i wywiera ona efekt bakteriostatyczny. Funkcję tę warunkuje niskie wysycenie żelazem osoczowej jak i znajdującej się w wydzielinach śluzówek laktoferyny, przez co ilość wolnego żelaza jest znacznie mniejsza niż wymagana do wzrostu drobnoustrojów. Niestety dużo patogenów jest opornych na to działanie laktoferyny ze względu na posiadanie własnego systemu pobierania żelaza w postaci sideroforów – niskocząsteczkowych chelatorów jonu żelazowego, a także receptorów wiążących kompleks żelazo-siderofor. Niektóre bakterie jak np.: H. influenzae czy H. pylori, potrafią uzyskiwać żelazo bezpośrednio z chelatorów gospodarza takich jak laktoferyna czy transferyna [2, 4, 5].

Oprócz wyżej wymienionego mechanizmu działania laktoferyny istnieje także wiele innych. Należą do nich:

– bezpośrednie niszczenie ściany komórkowej poprzez wiązanie białek porynowych ściany lub poprzez uwolnienie ze ściany lipopolisacharydu;

– zaburzanie metabolizmu komórek bakteryjnych;

– hamowanie adhezji bakterii do tkanek ustroju gospodarza poprzez degradację adhezyn bakteryjnych;

– utrudnienie tworzenia biofilmu poprzez wiązanie wolnego żelaza niezbędnego dla rozwoju bakterii;

– rozkład enzymatyczny bakteryjnych czynników wirulencji;

– tworzenie toksycznych dla bakterii reaktywnych form tlenu oraz wywoływanie apoptozy komórek zakażonych bakteriami [1, 4].

Wszystkie wymienione powyżej bezpośrednie sposoby aktywności laktoferyny wobec drobnoustrojów uzupełniane są przez działanie pośrednie, które polega na stymulacji układu odpornościowego gospodarza do walki z patogenami. Laktoferyna stymuluje aktywność cytotoksyczną monocytów, aktywuje makrofagi, neutrofile i eozynofile, zwiększa liczbę fagocytów przez stymulację mielopoezy, promuje chemotaksję i adhezję neutrofilów do komórek śródbłonka. Działa również jak opsonina ułatwiając fagocytozę opłaszczonych cząstek. Laktoferyna zwiększa wytwarzanie niektórych cytokin, między innymi: TNF-α, IFN-α i γ, IL-1, IL-6, IL-8, IL-12, biorących udział w odpowiedzi przeciwzakaźnej. Ponadto stymuluje dojrzewanie i aktywuje limfocyty T i B, bierze udział w stymulacji ekspresji komórkowych receptorów ułatwiających rozpoznanie drobnoustrojów. W wyniku badań prowadzonych nad laktoferyną, udowodniono jej działanie bakteriostatyczne/bakteriobójcze wobec bakterii Gram-ujemnych i Gram-dodatnich, m.in.: Staphylococcus aureus, Steptococcus pneumoniae, Mycobacterium tuberculosis, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Salmonella sp. [4].

Interesująca jest także swojego rodzaju „współpraca” laktoferyny z lizozymem, które razem wykazują działanie antybakteryjne. Laktoferyna katalizuje przekształcanie nieaktywnej formy lizozymu w aktywną oraz wstępnie narusza ścianę komórkową bakterii i w ten sposób udostępnia dla lizozymu struktury głębiej leżące. Wiele badań pokazuje, że LF potrafi zwiększać wrażliwość bakterii na niektóre antybiotyki i w ten sposób zmniejszyć efektywną dawkę leku, zwiększając aktywność bakteriobójczą do czterech razy [7].

W literaturze opisywana jest aktywność przeciwgrzybicza laktoferyny. Działanie laktoferyny przez sekwestrację jonów żelaza wykazano dla Candida albicans w roku 1971 oraz Aspergillus fumigatus w roku 2009. Kolejne badania wykazały, że HLF jak i BLF mogą zabijać komórki na skutek oddziaływań ze ścianami komórkowymi grzybów, ich destabilizacji oraz uszkodzenia i wzrostu przepuszczalności błony komórkowej. Taką aktywność wykazano dla C. albicans oraz C. krusei [2, 3, 4].

Aktywność przeciwwirusową laktoferyny wykazano wobec szerokiego spektrum wirusów otoczkowych i bezotoczkowych takich jak np.: wirus opryszczki, cytomegalowirus, wirusy zapalenia wątroby typu B i C, wirus HIV, wirus brodawczaka, poliowirus, wirus japońskiego zapalenia mózgu, hantawirus, wirus paragrypy czy wirus pęcherzykowego zapalenia jamy ustnej. Działanie przeciwwirusowe wykazuje zarówno HLF i BLF, jak i pochodne peptydy, przy czym największą aktywność wykazano dla BLF. Mimo wielu badań, mechanizm przeciwwirusowego działania laktoferyny nie został do końca poznany. Wiadomo, że LF bierze głównie udział w hamowaniu początkowych etapów zakażenia tj. adsorpcji i wnikania cząstek wirusowych do komórek. Mechanizm takiego działania polega na interakcji białka z cząstkami wirusów, jak i z ich receptorami na powierzchni komórek docelowych. Dowiedziono również, że LF działa na dalsze etapy infekcji wirusowej poprzez hamowanie replikacji wirusów, a ponadto stymuluje odpowiedź immunologiczną typu Th1, która odpowiada za kontrolę i eliminację zakażenia [2, 9].

Z kolei działanie przeciwpierwotniakowe laktoferyny zostało jak do tej pory słabo zbadane i nie do końca wyjaśnione. Rola jaką tutaj pełni wiąże się najprawdopodobniej z różnymi mechanizmami działania. Omata i in. (2001), spostrzegli, że po reinkubacji peptydem laktoferyny, sporozoity Toxoplasma gondii i Eimeria stiedai miały mniejszą infekcyjność i rzadziej tworzyły cysty w narządach wewnętrznych zwierząt. Taki wynik przypisano bezpośredniemu wpływowi peptydu na integralność błony pasożyta i interakcji z tkankami gospodarza. W hodowli erytrocytów, laktoferyna hamowała wzrost Plasmodium falciparum. W przykładzie tym (Fritsch i in. 1987) aktywna była zarówno laktoferyna wolna, jak i wysycona żelazem. Autorzy doświadczenia jako mechanizm działania laktoferyny podali wypływ na tworzenie wolnych rodników, uszkadzających błony komórkowe zainfekowanych erytrocytów i pasożytów. Wśród mechanizmów przeciwpierwotniakowego działania LF wyróżnia się także:

– blokowanie receptorów LRP1 na komórkach docelowych wykorzystywanych przez sporozoity Plasmodium berghei,

– stymulowanie fagocytozy i wewnątrzkomórkowego zabijania Trypanosoma cruzi przez ludzkie monocyty krwi i mysie makrofagi otrzewnowe.

Wykazano także, że LF może działać w synergii z niektórymi lekami stosowanymi w leczeniu zakażeń pasożytniczych. Przykładem tutaj jest działanie BLF/HLF z antybiotykiem makrolidowym klarytromycyną na Pneumocystis carinii, będącym czynnikiem etiologicznym oportunistycznego zapalenia płuc. Taka kombinacja w teście in vitro charakteryzowała się większym hamowaniem wzrostu niż każdego z tych związków osobno. Działanie przeciw Pneumocystis carinii przypisano zdolności laktoferyny do zakłócania szlaku wychwytu żelaza (Cirioni i in., 2000). Niestety laktoferyna może służyć niektórym pasożytom za źródło żelaza. To niekorzystne działanie wykazano w teście in vitro dla rzęsistka pochwowego – Trichomonas vaginalis [2, 4].

Badania wykazują, że laktoferyna posiada właściwości przeciwnowotworowe. Działanie takie przejawia się między innymi przez wpływ na układ immunologiczny. Laktoferyna i jej hydrolizaty po podaniu doustnym aktywują lokalną odpowiedź immunologiczną w układzie GALT i dalej odpowiedź ogólnoustrojową. Dochodzi do stymulacji wytwarzania IL-18, która to aktywuje limfocyty CD8+ oraz komórki NK. To z kolei powoduje zwiększenie cytotoksyczności i wydzielenie cytokin o działaniu przeciwnowotworowym jak np.: IFN-γ, TNF-α, IL-1β. Ponadto LF stymuluje aktywność fagocytarną i cytotoksyczność granulocytów i monocytów, makrofagów, a także dojrzewanie i różnicowanie limfocytów B i T. Laktoferyna wzmaga ekspresję receptorów powierzchniowych na komórkach nowotworowych i w ten sposób ułatwia ich identyfikację przez układ immunologiczny. Aktywność przeciwnowotworową LF wykazuje również w sposób bezpośredni poprzez:

– działanie lityczne;

– hamowanie angiogenezy;

– działanie proapoptotyczne i antyproliferacyjne;

– działanie antyoksydacyje – wpływ na tworzenie reaktywnych form tlenu (RFT);

– pozbawianie komórek nowotworowych żelaza potrzebnego do ich wzrostu [4, 7, 8].

Niezależnie od wymienionych wyżej funkcji laktoferyny, należy nadmienić jak ważną rolę odgrywa ona w prawidłowym rozwoju noworodka. W tym okresie życia laktoferyna uwalniana jest przez śluzówki oraz granulocyty, a dodatkowo duża jej ilość dostarczana jest w siarze i mleku matki. Do funkcji laktoferyny istotnych dla prawidłowego rozwoju nowo narodzonego dziecka, należy wymienić:

– Udział w przyswajaniu składników odżywczych i lepszym ich wykorzystaniu przez organizm. LF bierze udział w regulacji wchłaniania żelaza, poprawia jego dostępność, a także zapobiega jego nadmiarowi. Ponadto może ułatwiać absorpcję węglowodanów przez komórki nabłonka jelit.

– Ochrona oraz stymulowanie wzrostu komórek jelita biorących udział w absorpcji pożywienia oraz ochrona przed patogennymi bakteriami i antygenami pokarmowymi.

– Wpływ na skład flory bakteryjnej jelita. Laktoferyna sprzyja rozwojowi bakterii z rodzaju Lactobacillus i Bifidobacterium.

– Ochrona przed rozwojem bakteriemii i sepsy, na które narażone są szczególnie dzieci urodzone przedwcześnie. U wcześniaków w wyniku niedojrzałości tkanek jelita istnieje zwiększone ryzyko przenikania bakterii do krążenia ogólnego.

– Właściwości antyoksydacyjne, poprzez ochronę organizmu noworodka przed toksycznym działaniem reaktywnych form tlenu.

– Udział w rozwoju i dojrzewaniu układu immunologicznego noworodka. Laktoferyna może stymulować zarówno swoiste jak i nieswoiste mechanizmy obronne jelita oraz odporność systemową. Działanie takie odbywa się poprzez stymulację wytwarzania przeciwciał IgA i IgG w jelicie, a także uwalniania niektórych cytokin przez komórki nabłonka, zwiększenie liczby i aktywności limfocytów B, T, komórek NK i LAK w jelicie, śledzionie i krwi obwodowej [4, 6, 7].

Ze względu na swoje wyjątkowe właściwości, laktoferyna była i jest przedmiotem wielu intensywnych badań. Charakteryzuje się ona wyjątkowymi właściwościami przeciwbakteryjnymi, immunomodulacyjnymi, a także przeciwnowotworowymi. Jest wraz z transferyną i innymi białkami chelatującymi, bardzo istotnym elementem systemu homeostazy żelaza w ustroju. Działanie przeciwdrobnoustrojowe może być ponadto związane z sekwestracją żelaza, ale też niezależne od niego, poprzez bezpośrednie oddziaływanie białka lub jego fragmentu z jego celem. Laktoferyna reguluje dostępność żelaza w reakcjach tworzenia wolnych rodników tlenowych. Wszystkie te właściwości pokazują dużą rolę laktoferyny w procesach ochronnych dla organizmu. Biorąc to pod uwagę glikoproteina ta, wydaje się mieć ogromny potencjał w medycynie i lecznictwie. Aby w pełni i w sposób bezpieczny, wykorzystać jej potencjał, potrzebne są dalsze badania nad jej aktywnością i mechanizmami działania.

mgr farm. Ilona Olejnik

ilona_woy@wp.pl

Praca poglądowa opracowana w ramach specjalizacji z dziedziny farmacji aptecznej

pod kierunkiem mgr farm. Barbary Olejnik

 

Piśmiennictwo:

  1. Król J., Brodziak A. „Białka mleka o właściwościach antybakteryjnych”. Probl. Hig. Epidemiol. 2015, 96(2): 399-405.
  2. Sebastien Jean-Claude Farnaud S., Robert W Evans „Lactoferrin – A multifunctional protein with antimicrobial properties”. Molecular Immunology 40 (2003) 395–405.
  3. Gajda-Morszewski P., Śpiewak K. „Medyczne Zastosowania Laktoferyny”. Zeszyty Naukowe Towarzystwa Doktorantów UJ Nauki Ścisłe, Nr 11 (2/2015) 67-75.
  4. Artym J. „Laktoferyna – niezwykłe białko”. Warszawa 2016. ISBN 978-83-62993-19-2.
  5. Artym J. „Udział laktoferryny w gospodarce żelazem w organizmie. Część II. Działanie przeciwmikrobiologiczne i przeciwzapalne poprzez sekwestrację żelaza.”. Postępy Hig Med Dosw (online), 2010; 64: 604-616.
  6. Artym J. „Laktoferyna – Strażnik procesów przyswajania żelaza”. Postępy biologii komórki Tom 42 2015 Nr 2 (283–308).
  7. Karolina A. Rak, Monika Bronkowska „Immunologiczne znaczenie siary”. Hygeia Public Health 2014, 49(2): 249-254.
  8. Susana A. Gonzalez-Chavez, Sigifredo Arevalo-Gallegos, Quintin Rascon-Cruz. „Lactoferrin: structure, function and applications”. International Journal of Antimicrobial Agents 33 (2009) 301.e1–301.e8.
  9. Francesca Berlutti, Fabrizio Pantanella, Tiziana Natalizi, Alessandra Frioni, Rosalba Paesano, Antonella Polimeni and Piera Valenti. „Antiviral Properties of Lactoferrin—A Natural Immunity Molecule”. Molecules 2011, 16, 6992-7018.
  10. Adlerova L., Bartoskova A., Faldyna M. ” Lactoferrin: a review”. Veterinarni Medicina, 53, 2008 (9): 457–468.

Podobne wpisy