Теория иммунитета кто открыл. Теория иммунитета и кто ее создал? Включаем-выключаем нужный ген
Термин "иммунитет" возник от латинского слова "immunitas" - освобождение, избавление от чего-либо. В медицинскую практику он вошел в XIX веке, когда им стали обозначать "освобождение от болезни" (французский словарь Литте, 1869). Но еще задолго до появления термина у медиков существовало понятие об иммунитете в значении невосприимчивости человека к болезни, которое обозначалось как "самоисцеляющая сила организма" (Гиппократ), "жизненная сила" (Гален) или "залечивающая сила" (Парацельс). Врачам давно была известна присущая людям от рождения невосприимчивость (резистентность) к болезням животных (например, куриной холере, чуме собак). Сейчас это называют врожденным (естественным) иммунитетом. С древних времен медики знали, что человек не болеет некоторыми болезнями дважды. Так, еще в IV веке до н.э. Фукидид, описывая чуму в Афинах, отмечал факты, когда люди, которые чудом выживали, могли ухаживать за больными без риска заболеть вновь. Жизненный опыт показывал, что у людей может возникать стойкая невосприимчивость к повторному заражению после перенесённых тяжёлых инфекций, таких, например, как тиф, оспа, скарлатина. Такое явление называют приобретенным иммунитетом.
Имеются свидетельства тому, что первые прививки оспы проводили в Китае за тысячу лет до Рождества Христова. Болячками переболевшего оспой человека расцарапывали кожу здорового человека, который обычно после этого переносил инфекцию в слабой форме, после чего выздоравливал и оставался устойчивым к последующим заражениям оспой. Инокуляция содержимого оспенных пустул здоровым людям с целью их защиты от острой формы заболевания распространилась затем в Индию, Малую Азию, Европу, на Кавказ. Однако прием искусственного заражения натуральной (человеческой) оспой не во всех случаях давал положительные результаты. Иногда после инокуляции отмечалась острая форма заболевания, и даже смерть.
На смену инокуляции пришел метод вакцинации (от лат. vacca – корова), разработанный в конце XVIII в. английским врачом Э.Дженнером (E.Jenner). Он обратил внимание на тот факт, что молочницы, ухаживавшие за больными животными, иногда заболевали в крайне слабой форме оспой коров, но при этом никогда не болели натуральной оспой. Подобное наблюдение давало в руки исследователя реальную возможность борьбы с болезнью людей. В 1796 г., через 30 лет после начала своих изысканий, Э.Дженнер решился апробировать метод вакцинации на мальчике, которого привил коровьей оспой, а затем заразил его натуральной оспой. Эксперимент прошел успешно, и с тех пор способ вакцинации по Э.Дженнеру нашел широкое применение во всем мире.
Необходимо отметить, что задолго до Э. Дженнера выдающийся ученый-врач Средневекового Востока Рази, путем прививки детям коровьей оспы, предохранял их от заболевания оспой человека. Э. Дженнер не знал о методе Рази.
Спустя 100 лет открытый Э. Дженнером факт лег в основу экспериментов Л. Пастера на куриной холере, завершившихся формулировкой принципа профилактики инфекционных заболеваний – принцип иммунизации ослабленными или убитыми возбудителями (1881 г.).
Рождение инфекционной иммунологии связывают с именем выдающегося французского ученого Луи Пастера (Louis Paster). Первый шаг к целенаправленному поиску вакцинных препаратов, создающих устойчивый иммунитет к инфекции, был сделан после хорошо известного наблюдения Пастера над патогенностью возбудителя куриной холеры. Было показано, что заражение кур ослабленной (аттенуированной) культурой возбудителя создает невосприимчивость к патогенному микробу (1880г). В 1881г. Пастер продемонстрировал эффективный подход к иммунизации коров против сибирской язвы, а в 1885г. ему удалось показать возможность защиты людей от бешенства.
К 40-50-м годам нашего столетия принципы вакцинации, заложенные Пастером, нашли свое проявление в создании целого арсенала вакцин против самого широкого набора инфекционных заболеваний.
Хотя Пастер считается основателем инфекционной иммунологии, он ничего не знал о факторах, включенных в процесс защиты от инфекции. Первыми, кто пролил свет на один из механизмов невосприимчивости к инфекции, были Беринг (Behring) и Китазато (Kitasato). В 1890 году Эмиль фон Беринг сообщил, что после введения в организм животного не целых дифтерийных бактерий, а всего лишь некого токсина, выделенного из них, в крови появляется нечто, способное нейтрализовать или разрушать токсин и предотвращать заболевание, вызываемое целой бактерией. Более того, оказалось, что приготовленные из крови таких животных препараты (сыворотки) исцеляли детей, уже больных дифтерией. Вещество, которое нейтрализовало токсин и появлялось в крови только в его присутствии, получило название антитоксина. В дальнейшем подобные ему вещества стали называть общим термином - антитела. А тот агент, который вызывает образование этих антител, стали называть антигеном. За эти работы Эмиль фон Беринг был удостоен в 1901 году Нобелевской премии по физиологии и медицине.
В дальнейшем П. Эрлих разработал на этой базе теорию гуморального иммунитета, т.е. иммунитета, обеспечиваемого антителами, которые, продвигаясь по жидким внутренним средам организма, таким, как кровь и лимфа (от лат. humor - жидкость), поражают чужеродные тела на любом расстоянии от лимфоцита, который их производит.
Арне Тизелиус (Нобелевская премия по химии за 1948 год) показал, что антитела - это всего лишь обычные белки, но с очень большим молекулярным весом. Химическую структуру антител расшифровали Джералд Морис Эдельман (США) и Родни Роберт Портер (Великобритания), за что получили Нобелевскую премию в 1972 году. Было установлено, что каждое антитело состоит из четырех белков - 2-х легких и 2-х тяжелых цепей. Такая структура в электронном микроскопе по своему виду напоминает "рогатку". Часть молекулы антитела, которая связывается с антигеном, очень изменчива, поэтому ее называют вариабельной. Эта область содержится на самом кончике антитела, поэтому защитную молекулу иногда сравнивают с пинцетом, ухватывающим с помощью острых концов мельчайшие детали самого замысловатого часового механизма. Активный центр распознает в молекуле антигена небольшие участки, состоящие обычно из 4-8 аминокислот. Эти участки антигена подходят к структуре антитела "как ключ к замку". Если антитела не могут справиться с антигеном (микробом) самостоятельно, на помощь им придут другие компоненты и, в первую очередь, специальные "клетки-пожиратели".
Позднее японец Сусумо Тонегава, основываясь на достижении Эдельмана и Портера, показал то, что никто в принципе не мог даже ожидать: те гены в геноме, которые отвечают за синтез антител, в отличие от всех других генов человека, обладают потрясающей способностью - многократно изменять свою структуру в отдельных клетках человека в течение его жизни. При этом они, варьируя в своей структуре, перераспределяются так, что потенциально готовы обеспечить производство нескольких сотен миллионов различных белков-антител, т.е. намного больше теоретического количества, потенциально действующих на человеческий организм извне чужеродных веществ - антигенов. В 1987 году С. Тонегава была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине "за открытие генетических принципов генерации антител".
Наш соотечественник И.И. Мечников разработал теорию фагоцитоза и обосновал фагоцитарную теорию иммунитета. Он доказал, что у животных и человека существуют специальные клетки – фагоциты – способные поглощать и разрушать патогенные микроорганизмы и другой генетически чужеродный материал, оказавшийся в нашем организме. Фагоцитоз был известен ученым c 1862 г. по работам Э. Геккеля, но только Мечников первым связал фагоцитоз с защитной функцией иммунной системы. В последующей многолетней дискуссии между сторонниками фагоцитарной и гуморальной теорий были раскрыты многие механизмы иммунитета.
Параллельно с Мечниковым разрабатывал свою теорию иммунной защиты от инфекции немецкий фармаколог Пауль Эрлих. Он знал о том факте, что в сыворотке крови животных, зараженных бактериями, появляются белковые вещества, способные убивать патогенные микроорганизмы. Эти вещества впоследствии были названы им " антителами ". Самое характерное свойство антител - это их ярко выраженная специфичность. Образовавшись как защитное средство против одного микроорганизма, они нейтрализуют и разрушают только его, оставаясь безразличными к другим. Пытаясь понять это явление специфичности, Эрлих выдвинул теорию "боковых цепей", по которой антитела в виде рецепторов предсуществуют на поверхности клеток. При этом антиген микроорганизмов выступает в качестве селективного фактора. Вступив в контакт со специфическим рецептором, он обеспечивает усиленную продукцию и выход в циркуляцию только этого конкретного рецептора (антитела).
Прозорливость Эрлиха поражает, поскольку с некоторыми изменениями эта в целом умозрительная теория подтвердилась в настоящее время.
Фагоцитоз, открытый Мечниковым, получил в дальнейшем название клеточного иммунитета, а антителообразование, обнаруженное Эрлихом, – гуморального иммунитета. Две теории – клеточная (фагоцитарная) и гуморальная – в период своего возникновения стояли на антагонистических позициях. Школы Мечникова и Эрлиха боролись за научную истину, не подозревая, что каждый удар и каждое его парирование сближало противников. В 1908г. обоим ученым одновременно была присуждена Нобелевская премия.
Новый этап развития иммунологии связан в первую очередь с именем выдающегося австралийского ученого М.Бернета (Macfarlane Burnet; 1899- 1985). Именно он в значительной степени определил лицо современной иммунологии. Рассматривая иммунитет как реакцию, направленную на дифференциацию всего "своего" от всего "чужого", он поднял вопрос о значении иммунных механизмов в поддержании генетической целостности организма в период индивидуального (онтогенетического) развития. Именно Бернет обратил внимание на лимфоцит, как на основного участника специфического иммунного реагирования, дав ему название " иммуноцит ". Именно Бернет предсказал, а англичанин Питер Медавар и чех Милан Гашек экспериментально подтвердили состояние, противоположное иммунной реактивности – толерантности. Именно Бернет указал на особую роль тимуса в формировании иммунного ответа. И наконец, Бернет остался в истории иммунологии как создатель клонально-селекционной теории иммунитета. Формула такой теории проста: один клон лимфоцитов способен реагировать только на одну конкретную антигенную специфическую детерминанту.
Особого внимания заслуживают взгляды Бернета на иммунитет как на такую реакцию организма, которая отличает все "свое" от всего "чужого". После доказательств Питером Медаваром иммунной природы отторжения чужеродного трансплантата и накопления фактов по иммунологии злокачественных новообразований стало очевидным, что иммунная реакция развивается не только на микробные антигены, но и тогда, когда имеются любые, пусть незначительные антигенные различия между организмом и тем биологическим материалом (трансплантатом, злокачественной опухолью), с которым встречается организм.
Строго говоря, ученые прошлого, включая Мечникова, понимали, что предназначение иммунитета – не только борьба с инфекционными агентами. Однако интересы иммунологов первой половины нашего столетия концентрировались в основном на разработке проблем инфекционной патологии. Необходимо было время, чтобы естественный ход научного познания позволил выдвинуть концепцию роли иммунитета в индивидуальном развитии. И автором нового обобщения был Бернет.
Большой вклад в становление современной иммунологии внесли также Роберт Кох (Robert Koch; 1843-1910), открывший возбудитель туберкулеза и описавший кожную туберкулиновую реакцию; Жюль Борде (Jules Bordet; 1870-1961), сделавший важный вклад в понимание комплемент -зависимого лизиса бактерий; Карл Ландштейнер (Karl Landsteiner; 1868-1943), получивший Нобелевскую премию за открытие групп крови и разработавший подходы к изучению тонкой специфичности антител с помощью гаптенов; Родни Портер (Rodney Porter; 1917-1985) и Джеральд Эдельман (Gerald Edelman; 1929), изучившие структуру антител; Джордж Снелл (George Snell), Барух Венацерраф (Baruj Benacerraf) и Жан Доссе (Jean Dausset), описавшие главный комплекс гистосовместимости у животных и человека и открывшие гены иммунного ответа. Среди отечественных иммунологов особенно значительны исследования Н.Ф.Гамалея, Г.Н.Габричевского, Л.А.Тарасевича, Л.А.Зильбера, Г.И.Абелева.
В начале 1880-х годов Мечников в Мессине, Италия, отправив семью смотреть цирковое представление, спокойно рассматривал под микроскопом прозрачную личинку морской звезды. Он увидел, как подвижные клетки окружают инородную частицу, попавшую в тело личинки. Явление поглощения наблюдали и до Мечникова, но было принято считать, что это - просто подготовка к транспорту частиц кровью. Неожиданно у Мечникова возникло предположение: а что если это - механизм не транспорта, а защиты? Мечников тотчас же ввел в тело личинки кусочки шипов мандаринового дерева, которое он приготовил вместо новогодней елки для своих детей. Подвижные клетки вновь окружили чужеродные тела и поглотили их.
Если подвижные клетки личинки, думал он, защищают организм, они должны поглощать и бактерии. И это предположение подтвердилось. Мечников прежде не раз наблюдал, как белые клетки крови - лейкоциты, так же собираются вокруг проникшей в организм инородной частицы, формируя очаг воспаления. Кроме того, после многих лет работы в области сравнительной эмбриологии он знал, что эти подвижные клетки в теле личинки и лейкоциты человека происходят из одного зародышевого листка - мезодермы. Получалось, что у всех организмов обладающих кровью или ее предшественником - гемолимфой, есть единый механизм зашиты - поглощение инородных частиц клетками крови. Так был открыт фундаментальный механизм, с помощью которого организм защищает себя от проникновения в него чужеродных веществ и микробов. По предложению профессора Клауса из Вены, которому Мечников рассказал о своем открытии, клетки-защитники были названы фагоцитами, а само явление - фагоцитозом. Механизм фагоцитоза был подтвержден в организме человека и высших животных. Лейкоциты человека окружают проникшие в организм микробы и, подобно амебам, образуют выпячивания, охватывают со всех сторон инородную частицу и переваривают ее.
Пауль Эрлих
Ярким представителем немецкой школы микробиологов был Пауль Эрлих (1854-1915). С 1891 Эрлих занимался поисками химических соединений, способных подавлять жизнидеятельность возбудителей заболеваний. Ввел в практику лечение четырехдневной малярии красителем метиленовым синим, лечение сифилиса мышьяком.
Начав с работы с дифтерийным токсином в Институте инфекционных болезней. Эрлих создал теорию гуморального иммунитета (по его терминологии - теорию боковых цепей). Согласно ей, микробы или токсины содержат в себе структурные единицы - антигены, которые вызывают в организме образование аптител - особых белков класса глобулинов. Антитела обладают стереоспецифичностью, то есть конформацией, позволяющей им связывать только те антигены, в ответ на проникновение которых они возникли. Так Эрлих подчинил взаимодействие аптиген-антитело законам стереохимии. Вначале антитела существуют в виде особых химических групп (боковых цепей) на поверхности клеток (фиксированные рецепторы), затем часть их отделяется от поверхности клетки и начинает циркулировать с кровью (свободно перерешающиеся рецепторы). Встречаясь с микробами или токсинами, антитела связываются с ними, обездвиживают их и предупреждают их действие на организм. Эрлих показал, что отравляющее действие токсина и его способность связываться с антитоксином - это разные функции и на них можно воздействовать раздельно. Повысить концентрацию антител можно было повторными введениями антигена - так Эрлих решил беспокоившую Беринга проблему получения высокоэффективных сывороток. Эрлих ввел различие между пассивным иммунитетом (введение готовых антител) и активным иммунитетом (введение антигенов для стимуляции собственного антителообразования). Исследуя растительный яд рицин, Эрлих показал, что антитела появляются не сразу после введения в кровь антигена. Он первым изучал передачу части иммунных свойств от матери к плоду через плаценту и к младенцу - с молоком.
Между Мечниковым и Эрлихом возникла долгая и упорная дискуссия в печати об «истинной теории иммунитета». В итоге фагоцитоз получил название клеточного, а антителообразование - гуморального иммунитета. Мечников и Эрлих разделили в 1908 году Нобелевскую премию.
Беринг занимался созданием сывороток путем подбора бактериальных культур и токсинов, которые он впрыскивал животным. Одним из крупнейших его достижений является создание в 1890 г. противостолбнячной сыворотки, которая оказалась очень эффективной при профилактике столбняка при ранениях, хотя и малоэффективной в более поздний период, при уже развившейся болезни.
«Беринг хотел, чтобы честь открытия противодифтерийной сыворотки принадлежала германским, а не французским ученым. В поисках прививки зараженным дифтерией животным Беринг делал сыворотки из разных веществ, но животные погибали. Однажды для прививки он использовал трихлорид йода. Правда, и на этот раз морские свинки тяжело заболели, но ни одна из них не погибла. Воодушевленный первой удачей, Беринг, дождавшись выздоровления подопытных свинок, сделал им прививку из отцеженного по способу Ру бульона с дифтерийным токсином, в котором ранее выращивались дифтерийные палочки. Животные превосходно выдержали прививку, несмотря на то, что получили огромную дозу токсина. Значит, они приобрели иммунитет против дифтерии, им не страшны ни бактерии, ни выделяемый ими яд. Беринг решил усовершенствовать свой метод. Он смешал кровь выздоровевших морских свинок с отцеженной жидкостью, содержащей дифтерийный токсин, и сделал инъекцию этой смеси здоровым морским свинкам - ни одна из них не заболела. Значит, решил Беринг, сыворотка крови животных, приобретших иммунитет, содержит в себе противоядие от дифтерийного яда, какой-то „антитоксин“.
Делая прививки сыворотки, полученной от переболевших животных, здоровым, Беринг убедился, что морские свинки получают иммунитет не только при заражении бактериями, но и при действии на них токсина. Позже он убедился, что эта сыворотка дает также лечебный эффект, то есть, если сделать прививку больным животным, те выздоравливают. В клинике детских болезней в Берлине, 26 декабря 1891 года, ребенку, умиравшему от дифтерии, сделали прививку из сыворотки переболевшей свинки, и ребенок выздоровел. Эмиль Беринг и его шеф - Роберт Кох одержали триумфальную победу над грозной болезнью. Теперь за дело вторично взялся Эмиль Ру. Делая прививки дифтерийного токсина лошадям в коротких интервалах времени, он постепенно добивался полной иммунизации животных. Потом он брал у лошадей по несколько литров крови, выделял из нее сыворотку, из которой стал делать прививки больным детям. Уже первые результаты превзошли все ожидания: смертность, достигавшая прежде при дифтерии от 60 до 70 %, упала до 1–2 %.
В 1901 году Беринг получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине – за работу по сывороточной терапии.
Филогенез иммунитета неотделим от истории возникновения и развития многоклеточных организмов. Возникновение Metazoa (многоклеточные) означает формирование автономных организмов, имеющих внутреннюю среду, заполненную принадлежащими данному организму клетками и ограниченную барьером, отделяющим ее от окружения. Окружение a priori враждебно организму, поскольку служит источником агрессии, конкуренции и т.д. Агрессия может состоять в проникновении других организмов (прежде всего одноклеточных) во внутреннюю среду многоклеточного организма с последующей конкуренцией за территорию и ресурсы, а также возможным активным повреждением клеток или их отравлением токсинами и метаболитами. Таким образом, сам факт возникновения обособленного сообщества клеток, имеющего хотя бы элементарные интегрирующие системы и воспроизводящегося как единое целое, послужило достаточным основанием для возникновения «службы» поддержания клеточного и молекулярного постоянства внутренней среды. Такая «служба» и стала прообразом иммунной системы.
Из сказанного выше следует, что первое условие формирования иммунитета - наличие «охраняемой» замкнутой территории с ее обязательным отграничением от внешней среды. Второе условие - появление факторов, специализированных для обеспечения постоянства охраняемой внутренней среды путем ее освобождения от поступивших извне агентов (т.е. для обеспечения иммунитета в его прямом первоначальном смысле - освобождение). Со времен И.И. Мечникова общепризнано, что таким фактором стали специализированные клетки мезенхимального происхождения - подвижные амебоциты, предки фагоцитов млекопитающих. Они обладают выраженной способностью к фагоцитозу - механизму, обеспечивающему элиминацию потенциально агрессивных клеток, проникших во внутреннюю среду организма.
Важное условие эффективной работы этого гомеостатического механизма - способность защитных клеток отличать потенциально агрессивные чужие клетки от собственных. Принцип, на который опирается такое распознавание, стал основой иммунитета во всех его проявлениях. Таким образом, иммунная система, не имея возможности «дожидаться» проявления агрессивности проникших извне клеток, рассматривает в качестве потенциально опасных любые чужеродные клетки и молекулы. По-видимому, такое «решение» эволюции наиболее универсально и оправдано: действительно чужеродные объекты практически всегда вредны, даже если они не проявляют активной агрессии.
Возникновение рецепторов, позволяющих «опознать» чужое, стало третьим основополагающим событием на пути формирования иммунитета (после возникновения внутренней среды многоклеточных и специализированных клеток-фагоцитов). Действительно, наличие патогенраспоз- нающих рецепторов, как их теперь называют, - чрезвычайно древнее «изобретение» эволюции, общее для животных и растений. Отметим сразу, что иммунитет растений и животных эволюционировал в последующем разными путями, однако общий принцип распознавания чужеродных объектов сохранился.
В процессе эволюции вида закреплялись гены, кодирующие молекулы, предназначенные для распознавания не просто «чужого», но заведомо опасного для данного организма. Эти рецепторы - мембранные или растворимые молекулы, обладающие пространственным сродством (и потому способные их распознавать) к наиболее общим и связанным с патогенностью молекулярным маркерам чужеродных агентов: компонентам клеточной стенки бактерий, эндотоксинам, нуклеиновым кислотам и т.д. Каждый рецептор распознает не индивидуальную молекулу, а целую группу подобных молекул, служащих образами (паттернами) патогенности. Молекулы- рецепторы представлены не только на поверхности клеток-эффекторов иммунитета, но и в гранулах, в которые попадают чужеродные агенты при фагоцитозе. Патогенраспознающие молекулы присутствуют также в жидких средах организма и способны инактивировать токсины и убивать чужеродные клетки. Относительно небольшое число генов, кодирующих такие рецепторы, обеспечивает распознавание практически всех патогенов, не составляя чрезмерной «обузы» для многоклеточного организма.
В результате распознавания образов патогенности происходит активация клеток - иммуноцитов, что позволяет им убивать и затем элиминировать патогены. Это происходит с помощью цитолиза - внутриклеточного (наиболее совершенного, связанного с фагоцитозом), внеклеточного (вызываемого секретируемыми факторами) и контактного. Патогены могут быть убиты или подготовлены к фагоцитозу растворимыми бактерицидными факторами и рецепторными молекулами. Во всех случаях окончательное расщепление убитых патогенов происходит в процессе фагоцитоза.
Рис. 1.1. Филогенез врожденного и адаптивного иммунитета. На упрощенном филогенетическом древе (обозначены только те таксоны, у которых исследовали иммунитет) отмечены зоны действия врожденного и адаптивного иммунитета. Круглоротые выделены в особую группу как животные, у которых адаптивный иммунитет развивался не по «классическому» пути
Так, схематично можно представить систему иммунитета, которую принято называть врожденной. Эта форма иммунитета характерна для всех многоклеточных животных (в несколько иной форме - и для растений). Ее возраст - 1,5 млрд лет. Система врожденного иммунитета весьма эффективно защищала первичноротых многоклеточных животных, а также низших вторичноротых, часто имевших крупные размеры (рис. 1.1). Проявления врожденного иммунитета на разных стадиях эволюции и в разных таксонах чрезвычайно разнообразны. Однако общие принципы его функционирования одинаковы на всех стадиях развития многоклеточных. Главные составляющие врожденного иммунитета:
- распознавание чужеродных агентов во внутренней среде организма с помощью рецепторов, специализированных на узнавании «образов» патогенности;
- элиминация опознанных чужеродных агентов из организма путем фагоцитоза и расщепления.
Таблица 1.2. Основные свойства врожденного и адаптивного иммунитета
|
Характеристика |
Врожденный иммунитет |
Адаптивный иммунитет |
|
Условия формирования |
Формируется в онтогенезе вне зависимости от «запроса» |
Формируется в ответ на «запрос» (поступление чужеродных агентов) |
|
Объект распознавания |
Группы чужеродных молекул, связанных с патогенностью |
Индивидуальные молекулы (антигены) |
|
Эффекторные клетки |
Миелоидные, частично лимфоидные клетки |
Лимфоидные клетки |
|
Тип реагирования популяции клеток |
Популяция клеток реагирует как целое (не клонально) |
Реакция на антиген клональная |
|
Распознаваемые молекулы |
Образы патогенности; стрес- сорные молекулы |
Антигены |
|
Распознающие рецепторы |
Патогенраспознающие рецепторы |
Антигенраспознающие рецепторы |
|
Угроза аутоагрессии |
Минимальная |
Реальная |
|
Наличие памяти |
Отсутствует |
Формируется иммунологическая память |
Существенное отличие адаптивного иммунитета от врожденного - способ распознавания чужого (табл. 1.3). В адаптивном иммунитете оно осуществляется при помощи молекул особого типа (иммуноглобулинов или других белков суперсемейства иммуноглобулинов), при этом распознаются не паттерны, а индивидуальные молекулы или небольшие группы сходных молекул, называемые антигенами. Существует порядка 106 различных антигенов. Такое число рецепторов не только не может быть представлено на одной клетке, но и не может быть закодировано в геноме позвоночных, содержащем только десятки тысяч генов. Именно поэтому в процессе эволюции адаптивного иммунитета сформировался сложный механизм генерации разнообразия антигенспецифических рецепторов: при развитии специализированных клеток (лимфоцитов), происходит перестройка их генов, кодирующих антигенраспознающие рецепторы, что приводит к образованию в каждой клетке рецептора с уникальной специфичностью. При активации каждая клетка может дать начало клону, все клетки которого будут иметь рецепторы той же специфичности. Таким образом, каждый конкретный антиген распознают не все лимфоциты, а только отдельные их клоны, имеющие специфические антигенраспознающие рецепторы.
Таблица 1.3. Основные типы иммунологического распознавания
|
Характеристика |
Групповое (паттерновое) |
Индивидуальное (антигенное) |
|
Объект распознавания |
Консервативные молекулярные структуры - образы патогенности |
Антигенные эпитопы (в составе свободных молекул или встроенные в молекулы MHC) |
|
Дискриминация «свое-чужое» |
Совершенная, сложилась в филогенезе |
Несовершенная, формируется в онтогенезе |
|
Потребность в костимуляции |
Нет |
Есть |
|
Время реализации эффекта |
Немедленно |
Требует времени (адаптивный иммунный ответ) |
|
Связь с различными формами иммунитета |
Связано с врожденным иммунитетом |
Связано с адаптивным иммунитетом |
|
Формирование генов рецепторов |
Детерминированы генетически |
Формируются в процессе дифференцировки клеток |
|
Клетки, несущие рецепторы |
Любые ядерные клетки (преимущественно миелоидные) |
Только В- и Т-лимфоциты |
|
Распределение на клетках |
Все клетки в популяции экспрессируют одинаковые рецепторы |
Клональное |
|
Рецепторы |
TLR, NLR, CLR, RIG, DAI, Seavenger-рецепторы, растворимые рецепторы |
BCR (на В-клетках), TCR-yS, (на у8Т-клетках), TCR- ар (на арТ-клетках) |
Если паттернраспознающие рецепторы врожденного иммунитета образовались в процессе эволюции как молекулы, распознающие чужеродные, но не собственные молекулы организма, то специфичность антигенрас- познающих рецепторов системы адаптивного иммунитета формируется случайно. Это потребовало развития дополнительных механизмов селекции для устранения «ненужных» и «опасных» (направленных против «своего») клонов лимфоцитов. Такие механизмы достаточно эффективны, однако все же не полностью устраняют риск развития аутоиммунных процессов - иммунных реакций, направленных против собственных антигенов, вызывающих повреждение организма хозяина.
Оба типа иммунитета образуют целостную систему, при этом врожденный иммунитет служит фундаментом для развития адаптивного. Так, лимфоциты распознают антиген в процессе презентации, осуществляемой преимущественно клетками врожденного иммунитета. Удаление из организма антигена и несущих его клеток происходит с помощью реакций, в основе которых лежат механизмы врожденного иммунитета, получившие специфический компонент, т.е. направленные на конкретный антиген и действующие с повышенной эффективностью.
Клональный характер адаптивного иммунного ответа создал возможность возникновения иммунологической памяти. При врожденном иммунитете память не развивается и каждый раз реакции на внедрение чужерод
ных молекул развиваются как впервые. В процессе адаптивного иммунитета формируются клоны клеток, сохраняющих «опыт» предыдущего иммунного ответа, что позволяет им реагировать на повторную встречу с антигеном значительно быстрее, чем при первичном контакте, и формировать при этом более сильный ответ. Наличие клеток памяти делает организм устойчивым к довольно широкому кругу патогенов. Вероятно, именно возможность формирования иммунологической памяти послужила преимуществом, позволившим закрепиться в процессе эволюции такому «дорогостоящему» для организма, громоздкому, во многом ненадежному и даже опасному механизму, как адаптивный иммунный ответ.
Таким образом, адаптивный иммунитет базируется на трех главных процессах:
- распознавании антигенов (как правило, чужеродных для организма) независимо от их связи с патогенностью, с помощью клонально распределенных рецепторов;
- элиминации распознанных чужеродных агентов;
- формировании иммунологической памяти о контакте с антигеном, позволяющей быстрее и эффективнее удалять его при повторном распознавании.
Добавлено в закладки: 0
Каждый человек знаком с загадочным словом «иммунитет» — механизмом защиты организма от вредоносных и чужеродных объектов. Но как работает иммунная система, справляется ли она и как мы можем ей помочь? Как происходили открытия в этой области и что они дали и дают?
Илья Мечников и его открытие
Еще в древности люди понимали, что организм имеет особую защиту. Во время эпидемий оспы, чумы и холеры, когда похоронные команды не успевали убирать с улиц трупы, были и те, кто справлялся с болезнью или те, кого она вообще не коснулась. Значит, в организме человека существует механизм, защищающий его от инфекций извне. Его назвали иммунитетом (от латинского immunitas — освобождение, избавление от чего либо) — это способностью организма сопротивляться, обезвреживать и разрушать чужеродные клетки, различные инфекции и вирусы.
Еще в древнем Китае лекарями было подмечено, что единожды переболевший человек больше не заболевал оспой (эпидемия оспы впервые прокатилась по Китаю в IV веке). Эти наблюдения привели к первым попыткам защититься от инфекции при помощи искусственного заражения инфекционным материалом. Лекари стали вдувать в нос здоровым людям измельченные оспенные струпья, делали «инъекции» здоровым людям из содержимого пузырьков больных оспой. В Турции первыми «подопытными кроликами» были девочки, которых растили для гарема, чтобы их красота не страдала от рубцов после оспы.
Ученые долго бились над объяснением этих явлений.
Отцом-основателем иммунологии в конце 19 века является известный французский врач Луи Пастер, который считал, что невосприимчивость организма к микробам и болезням определяется тем, что тело человека не подходит микробам как питательная среда, но описать механизм иммунного процесса он не смог.
Впервые это сделал великий русский биолог и патолог Илья Мечников, который с детства проявлял интерес к естествознанию. Окончив за 2 года 4-х годичный курс естественного отделения Харьковского университета, он занимался исследованиями в эмбриологии беспозвоночных и в 19 лет стал кандидатом наук, а в 22 года — доктором наук и возглавил вновь организованный Бактериологический институт в Одессе, где изучал действие защитных клеток собаки, кролика и обезьяны на микробы, вызывающие различные инфекционные заболевания.
Позже, Илья Мечников, изучая внутриклеточное пищеварение беспозвоночных, наблюдал под микроскопом за личинкой морской звезды и его осенила новая мысль. Подобно тому, как у человека происходит воспаление при занозе, когда клетки противодействуют инородному телу, он предположил, что нечто подобное должно происходить и при занозе, вставленной в любое тело. Он ввел шип розы в подвижные прозрачные клетки морской звезды (амебоциты) и через некоторое время увидел, что амебоциты скопились вокруг занозы и пытались либо поглотить инородное тело, либо создавали вокруг него защитный слой.
Так Мечникову пришла мысль, что существуют клетки, которые выполняют в организме защитную функцию.
В 1883 году Мечников выступил на съезде естествоиспытателей и врачей в Одессе с докладом «Целебные силы организма», где впервые озвучил свое представление о специальных органах защиты организма. В своем докладе он впервые предположил, что к системе целебных органов позвоночных следует отнести селезенку, лимфатические железы и костный мозг.
Сказано это было более 130 лет назад, когда врачи всерьез считали, что организм освобождается от бактерий только с помощью мочи, пота, желчи и кишечного содержимого.
В 1987 году Мечников с семьей покинул Россию и по приглашению микробиолога Луи Пастера стал заведовать лабораторией в частном институте Пастера в Париже (Луи Пастер известен тем, что разработал прививки против бешенства, используя высушенный мозг зараженных бешенством кроликов, против сибирской язвы, холеры кур, краснухи свиней).
Мечников и Пастер ввели новое понятие «иммунитет», под которым понимали невосприимчивость организма к различного рода инфекциям, любым генетически чужеродным клеткам.
Мечников назвал клетки, которые либо поглощали, либо обволакивали инородное тело, попавшее в организм, фагоцитами, что в переводе с латинского значит «пожиратели», а само явление — фагоцитозом. Более 20 лет понадобилось ученому, чтобы доказать свою теорию.
К клеткам-фагоцитам относятся лейкоциты, которых Мечников делил на микрофаги и макрофаги. «Радары» фагоцитов засекают в организме вредоносный объект, уничтожают его (разрушают, переваривают) и выставляют на поверхность своей клеточной мембраны антигены переваренной частицы. После этого, вступая в контакт с другими клетками иммунитета, фагоцит передает им информацию о вредоносном объекте – бактериях, вирусах, грибах и других патогенах. Эти клетки «запоминают» представленный антиген, чтобы при повторном его попадании суметь дать отпор. Такова была его теория.
Говоря об Илье Мечникова добавлю, что он создал первую русскую школу микробиологов, иммунологов и патологов, был многогранен в своих знаниях (его, например, интересовали вопросы старения) и умер на чужбине в 1916 году после перенесенных инфарктов в возрасте 71 года. Мечникову пришлось пережить смерть первой жены от туберкулеза, яростное научное противостояние с немецкими микробиологами Паулем Эрлихом и Робертом Кохом, которые напрочь отвергали теорию фагоцитоза. Тогда Мечников приехал в руководимый Кохом Гигиенический институт в Берлине, чтобы показать некоторые итоги работы по фагоцитозу, но это не убедило Коха и только спустя 19 лет после первой встречи с русским исследователем, в 1906 году Кох публично признал свою неправоту. Мечников также работал над вакциной от туберкулеза, брюшного тифа и сифилиса. Он разработал профилактическую мазь, которую испытал на себе, специально заразившись сифилисом. Эта мазь защитила множество солдат, среди которых распространенность болезни доходила до 20%. Сейчас ряд бактериологических и иммунологических институтов России носит имя И.И.Мечникова).
За открытие фагоцитарной (клеточной) теории иммунитета Илья Мечников получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине вместе с Паулем Эрлихом — автором гуморальной теории иммунитета.
Пауль Эрлих доказывал, что главная роль в защите от инфекций принадлежит не клеткам, а открытым им антителам - специфическим молекулам, которые образуются в сыворотке крови в ответ на внедрение агрессора. Теория Эрлиха получила название теории гуморального иммунитета (этата часть иммунной системы, которая осуществляет свою функцию в жидких средах организма — крови, межтканевых жидкостях).
Присуждая в 1908 году ученым — противникам Мечникову и Эрлиху престижную премию на двоих, тогдашние члены Нобелевского комитета даже не предполагали, что их решение было провидческим: оба ученых в своих теориях оказались правы.
Они вскрыли лишь некоторые ключевые моменты «первой линии обороны» — системы врождённого иммунитета.
Два вида иммунитета их взаимосвязь
Как оказалось, в природе существуют две линии защиты или два вида иммунитета. Первая — система врождённого иммунитета, которая нацелена на разрушение клеточной мембраны чужеродной клетки. Она присуща всем живым существам - от блошки дрозофилы до человека. Но если всё же какой-либо белковой молекуле-чужаку удалось прорваться сквозь «первую линию обороны», с ней расправляется «вторая линия» — приобретённый иммунитет. Врожденный иммунитет передаются младенцу еще во время беременности, по наследству.
Приобретенный (специфический) иммунитет — это высшая форма защиты, которая присуща только позвоночным. Механизм приобретённого иммунитета очень сложен: при попадании в организм чужеродной белковой молекулы, белые кровяные клетки (лейкоциты) начинают производить антитела — на каждый белок (антиген) вырабатывается своё определённое антитело. Сначала активируются так называемые T-клетки (T-лимфоциты), которые начинают производить активные вещества, запускающие синтез антител B-клетками (B-лимфоциты). Сила или слабость иммунной системы обычно оценивается по количеству именно B- и T-клеток. Затем выработанные антитела «садятся» на вредоносные белки-антигены, которые находятся на поверхности вируса или бактерии и развитие инфекции в организме блокируется.
Как и врождённый иммунитет, приобретённый иммунитет разделяют на клеточный (T-лимфоциты) и гуморальный (антитела, продуцируемые B-лимфоцитами).
Процесс выработки защитных антител запускается не сразу, у него есть определённый инкубационный период, зависящий от типа патогена. Но если процесс активации пошёл, то при попытке инфекции вновь проникнуть в организм, B-клетки, могущие долго пребывать в «спящем состоянии», моментально реагируют выработкой антител и инфекция будет уничтожена. Поэтому на некоторые виды инфекций у человека вырабатывается иммунитет на всю оставшуюся жизнь.
Система врождённого иммунитета неспецифична и не обладает «долгосрочной памятью», она реагирует на молекулярные структуры, входящие в состав клеточной мембраны бактерий, присущих всем патогенным микроорганизмам.
Именно врождённый иммунитет руководит запуском и последующей работой приобретенного иммунитета. Но каким образом система врождённого иммунитета подаёт знак системе приобретённого иммунитета на выработку специфических антител? За решение этого ключевого вопроса иммунологии была присуждена Нобелевская премия 2011 года.
В 1973 году Ральф Штайнман открыл новый вид клеток, которые назвал дендритными, поскольку внешне они напоминали дендриты нейронов, имеющих разветвленное строение. Клетки обнаружились во всех тканях организма человека, которые соприкасались с внешней средой: в коже, лёгких, слизистой оболочке желудочно-кишечного тракта.
Штайнман доказал, что дендритные клетки служат посредниками между врождённым и приобретённым иммунитетом. То есть «первая линия обороны» подаёт через них сигнал, который активирует T-клетки и запускает каскад выработки антител B-клетками.
Главная задача дендроцитов состоит в том, чтобы захватывать антигены и преподносить их Т- и В-лимфоцитам. Они могут даже высовывать «щупальца» сквозь поверхность слизистой оболочки, чтобы собирать антигены снаружи. Переварив чужеродные вещества, они выставляют их фрагменты на своей поверхности и перемещаются в лимфоузлы, где и происходит их встреча с лимфоцитами. Те инспектируют предъявленные фрагменты, опознают «образ врага» и развивается мощный иммунный ответ.
Ральф Штайнман сумел доказать, что у иммунитета существует особый «дирижер». Это специальные клетки-часовые, которые постоянно заняты поиском чужеродных вторжений в организм. Обычно они расположены на коже, слизистых покровах и ждут своего часа, чтобы начать действовать. Обнаружив «чужих», дендритные клетки начинают бить в барабан - подают сигнал Т-лимфоцитам, которые в свою очередь предупреждают другие иммунные клетки о готовности к отражению атаки. Дендритные клетки могут забирать белки у патогенов и предъявлять их врожденной иммунной системе для опознания.
Дальнейшие исследования Штайнмана и других ученых показали, что дендроциты регулируют активность иммунной системы, препятствуя атакам на собственные молекулы организма и развитию аутоиммунных болезней
Штайнман понял, что «дирижеры» иммунной системы могут сработать не только в борьбе с инфекциями, но и в лечении аутоиммунных заболеваний и опухолей. На основе дендритных клеток он создал вакцины от нескольких видов рака, которые проходят клинические испытания. В лаборатории Штайнмана сейчас работают над вакциной против ВИЧ. На них возлагают надежды и онкологи.
Главным испытуемым в борьбе с онкологическим заболеванием стал он сам.
Рокфеллеровский университет заявил, что изобретенное Штайнманом лечение рака действительно продлило ему жизнь. Ученый сумел прожить четыре с половиной года при том, что шансы продлить жизнь хотя бы на год для этого вида рака составляют не больше 5 процентов. За неделю до смерти он продолжал работать у себя в лаборатории, а умер за несколько часов до решения Нобелевского комитета о присуждении ему престижной премии (хотя по правилам Нобелевская премия посмертно не присуждается, но в данном случае было сделано исключение и денежные средства получила семья ученого).
Нобелевская премия 2011 года была присуждена не только Ральфу Штайнману за открытие дендритных клеток и их роли в активации адаптивного иммунитета, но и Брюсу Бойтлеру и Жюлю Хоффманну за открытие механизмов активации врождённого иммунитета.
Теория иммунитета
Дальнейший вклад в теорию иммунитета внес американский иммуннобиолог русско-узбекского происхождения Руслан Меджитов, который после окончания Ташкентского университета и аспирантуры в МГУ, в дальнейшем стал профессором Йельского университета (США) и научным светилой в мировой иммунологии.
Он обнаружил на клетках человека белковые рецепторы и проследил их роль в иммунной системе.
В 1996 году после нескольких лет совместной работы Меджитов и Джейнуэй совершили настоящий прорыв. Они предположили, что чужие молекулы должны распознаваться врожденным иммунитетом при помощи специальных рецепторов.
И они обнаружили эти рецепторы, приводящие в готовность ветвь иммунной системы — Т-клетки и В-клетки, отражающие атаки болезнетворных микроорганизмов и получившие название Толл- рецепторов. Рецепторы в первую очередь располагаются на клетках-фагоцитах, отвечающих за врождённый иммунитет.
Под большим увеличением электронного микроскопа со сканирующей приставкой на поверхности В-лимфоцитов видны многочисленные микроворсинки. На этих микроворсинках располагаются молекулярной величины структуры — рецепторы (чувствительные аппараты), распознающие антигены — сложные вещества, вызывающие в организме иммунную реакцию. Эта реакция заключается в образовании антител клетками лимфоидного ряда. Количество (плотность расположения) таких рецепторов на поверхности В-лимфоцитов очень велика.
Было установлено, что врожденная иммунная система заложена в геноме организма. Для всех сущих на Земле врождённый иммунитет — главный. И только у наиболее «продвинутых» по лестнице эволюции организмов — высших позвоночных — в дополнение возникает иммунитет приобретённый. Однако именно врождённый руководит его запуском и последующей работой.
Работы Руслана Меджитова признаны в мире. Он удостоен ряда престижных научных премий, в том числе премии Шао в области медицины в 2011году, которую в научных кругах зачастую называют «Нобелевской премией Востока». Эта ежегодная премия предназначена для прижизненного награждения «учёных, вне зависимости от расы, гражданства и религиозных воззрений, которые совершили значительные открытия в академических и научных исследованиях и разработках, и чья работа оказала существенное положительное влияние на человечество». Премия Шао учреждена с 2002 года под покровительством филантропа с полувековым стажем Шао Ифу — одного из основателей кинематографа Китая и ряда других стран Юго-Восточной Азии.
Во многом мы сами можем позаботиться о своем здоровье, имея полезные знания в этой области. Подписывайтесь на мои новости - интересные статьи о продуктах питания, растениях и здоровом образе жизни.
Рекомендуем также
Loading...