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.
Член-корреспондент РАН Сергей Недоспасов, Борис Руденко, обозреватель журнала «Наука и жизнь».
Революционные прорывы в любой области науки происходят нечасто, раз-два в столетие. Да и для того, чтобы осознать, что революция в познании окружающего мира действительно произошла, оценить её результаты, научному сообществу и обществу в целом порой требуется не один год и даже не одно десятилетие. В иммунологии такая революция случилась в конце прошедшего века. Готовили её десятки выдающихся учёных, выдвигавших гипотезы, совершавших открытия и формулирующих теории, причём некоторые из этих теорий и открытий были сделаны сто лет назад.
Пауль Эрлих (1854-1915).
Илья Мечников (1845-1916).
Чарльз Джэнуэй (1943-2003).
Жюль Хоффманн.
Руслан Меджитов.
Дрозофила, мутантная по гену Toll, заросла грибками и погибла, так как у неё нет иммунных рецепторов, распознающих грибковые инфекции.
Две школы, две теории
Весь ХХ век, вплоть до начала 1990-х, в исследованиях иммунитета учёные исходили из убеждения, что самой совершенной иммунной системой обладают высшие позвоночные, и в частности человек. Вот её-то и следует изучать в первую очередь. И если что-то пока ещё «недооткрыли» в иммунологии птиц, рыб и насекомых, то для продвижения на пути познания механизмов защиты от людских болезней особой роли это, скорее всего, не играет.
Иммунология как наука возникла полтора столетия назад. Хотя первую вакцинацию связывают с именем Дженнера, отцом-основателем иммунологии по праву считается великий Луи Пастер, начавший искать разгадку выживания рода человеческого, несмотря на регулярные опустошительные эпидемии чумы, чёрной оспы, холеры, обрушивающиеся на страны и континенты словно карающий меч судьбы. Миллионы, десятки миллионов погибших. Но в городах и селениях, где похоронные команды не успевали убирать с улиц трупы, находились такие, кто самостоятельно, без помощи знахарей и колдунов справлялся со смертельной напастью. А также те, кого болезнь не коснулась совершенно. Значит, существует в организме человека механизм, защищающий его хотя бы от некоторых вторжений извне. Он и называется иммунитетом.
Пастер развивал представления об искусственном иммунитете, разрабатывая методики его создания посредством вакцинации, однако постепенно стало ясно, что иммунитет существует в двух ипостасях: естественный (врождённый) и адаптивный (приобретённый). Который же из них важнее? Какой из них играет роль при успешной вакцинации? В начале ХХ столетия в ответе на этот принципиальный вопрос столкнулись в острой научной полемике две теории, две школы - Пауля Эрлиха и Ильи Мечникова.
Пауль Эрлих ни в Харькове, ни в Одессе не бывал. Свои университеты проходил в Бреславле (Бреслау, ныне Вроцлав) и Страсбурге, трудился в Берлине, в институте Коха, где создал первую в мире серологическую контрольную станцию, а потом возглавил институт экспериментальной терапии во Франкфурте-на-Майне, носящий сегодня его имя. И тут следует признать, что в концептуальном плане Эрлих сделал для иммунологии за всю историю существования этой науки более, чем кто-либо ещё.
Мечников открыл явление фагоцитоза - захвата и уничтожения специальными клетками - макрофагами и нейтрофилами - микробов и других чужеродных организму биологических частиц. Именно этот механизм, полагал он, и является основным в иммунной системе, выстраивая линии защиты от вторжения патогенов. Именно фагоциты бросаются в атаку, вызывая реакцию воспаления, к примеру при уколе, занозе и т.д.
Эрлих доказывал противоположное. 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.
Интересно, что непримиримые научные соперники - Мечников и Эрлих - разделили в 1908 году Нобелевскую премию по физиологии и медицине за работы в области иммунологии, хотя к этому времени теоретические и практические успехи Эрлиха и его последователей, казалось бы, полностью опровергали воззрения Мечникова. Даже поговаривали, что премия последнему была присуждена, скорее, по совокупности заслуг (что вовсе не исключено и не зазорно: иммунология - лишь одна из областей, в которых работал русский учёный, вклад его в мировую науку огромен). Впрочем, даже если и так, члены Нобелевского комитета, как оказалось, были намного более правы, чем полагали сами, хотя подтверждение тому пришло только через столетие.
Эрлих умер в 1915 году, Мечников пережил своего оппонента всего на год, так что принципиальнейший научный спор вплоть до конца столетия развивался уже без участия его инициаторов. А пока всё, что происходило в иммунологии в течение следующих десятилетий, подтверждало правоту Пауля Эрлиха. Было установлено, что белые кровяные тельца, лимфоциты, делятся на два вида: В и Т (тут надо подчеркнуть, что открытие Т-лимфоцитов в середине ХХ века перенесло науку о приобретённом иммунитете на совершенно другой уровень - основоположники этого не могли предвидеть). Именно они организуют защиту от вирусов, микробов, грибков и вообще от враждебных организму субстанций. В-лимфоциты продуцируют антитела, которые связывают чужеродный белок, нейтрализуя его активность. А Т-лимфоциты уничтожают заражённые клетки и способствуют удалению возбудителя из организма другими путями, причём в обоих случаях образуется «память» о патогене, так что с повторной инфекцией организму бороться уже намного проще. Эти защитные линии способны точно так же расправиться и с собственным, но перерождённым белком, который становится опасен для организма. К сожалению, такая способность в случае сбоя в настройке сложнейшего механизма адаптивного иммунитета может стать причиной аутоиммунных заболеваний, когда лимфоциты, потеряв способность отличать свои белки от чужих, начинают «стрелять по своим»…
Таким образом, до 80-х годов ХХ столетия иммунология в основном развивалась по пути, указанному Эрлихом, а не Мечниковым. Невероятно сложный, фантастически изощрённый миллионами лет эволюции адаптивный иммунитет постепенно раскрывал свои загадки. Учёные создавали вакцины и сыворотки, которые должны были помочь организму как можно быстрее и эффективнее организовать иммунный ответ на заражение, и получали антибиотики, способные подавить биологическую активность агрессора, облегчив тем самым работу лимфоцитов. Правда, поскольку многие микроорганизмы находятся в симбиозе с хозяином, антибиотики с неменьшим энтузиазмом обрушиваются и на своих союзников, ослабляя и даже сводя на нет их полезные функции, но медицина заметила это и забила тревогу много, много позднее…
Однако рубежи полной победы над болезнями, поначалу казавшиеся такими достижимыми, отодвигались всё дальше к горизонту, потому что с течением времени появлялись и накапливались вопросы, на которые господствующая теория отвечать затруднялась или не могла ответить вовсе. Да и создание вакцин шло вовсе не так гладко, как предполагалось.
Известно, что 98% живущих на Земле существ вообще лишено адаптивного иммунитета (в эволюции он появляется лишь с уровня челюстных рыб). А ведь у всех у них тоже есть свои враги в биологическом микромире, свои болезни и даже эпидемии, с которыми, однако, популяции справляются вполне успешно. Известно также, что в составе микрофлоры человека есть масса организмов, которые, казалось бы, просто обязаны вызывать заболевания и инициировать иммунный ответ. Тем не менее этого не происходит.
Подобных вопросов десятки. Десятилетиями они оставались открытыми.
Как начинаются революции
В 1989 году американский иммунолог профессор Чарльз Джэнуэй (Charles Janeway) опубликовал работу, которая очень скоро была признана провидческой, хотя, как и у теории Мечникова, у неё были и остаются серьёзные, эрудированные противники. Джэнуэй предположил, что на клетках человека, отвечающих за иммунитет, существуют специальные рецепторы, распознающие какие-то структурные компоненты патогенов (бактерий, вирусов, грибков) и запускающие механизм ответной реакции. Поскольку потенциальных возбудителей заболеваний в подлунном мире насчитывается неисчислимое множество, Джэнуэй предположил, что и рецепторы будут распознавать какие-то «инвариантные» химические структуры, характерные для целого класса патогенов. Иначе просто не хватит генов!
Спустя несколько лет профессор Жюль Хоффманн (впоследствии ставший президентом Французской академии наук) обнаружил, что мушка-дрозофила - почти непременный участник важнейших открытий в генетике - обладает защитной системой, до того момента недопонятой и неоценённой. Оказалось, что у этой плодовой мушки есть специальный ген, который не только важен для развития личинки, но и связан с врождённым иммунитетом. Если в мушке этот ген испортить, то при заражении грибками она погибает. Причём от других болезней, например бактериального характера, не погибнет, а от грибковой - неизбежно. Открытие позволяло сделать три важнейших вывода. Во-первых, примитивная мушка-дрозофила наделена мощным и эффективным врождённым иммунитетом. Во-вторых, её клетки обладают рецепторами, распознающими инфекции. В-третьих, рецептор специфичен к определённому классу инфекций, то есть способен распознавать не любую чужеродную «структуру», а только вполне определённую. А от другой «структуры» данный рецептор не защищает.
Вот эти два события - почти умозрительную теорию и первый неожиданный экспериментальный результат - и следует считать началом великой иммунологической революции. Дальше, как и бывает в науке, события развивались по нарастающей. Руслан Меджитов, который окончил Ташкентский университет, потом аспирантуру в МГУ, а впоследствии стал профессором Йельского университета (США) и восходящей звездой мировой иммунологии, первым обнаружил эти рецепторы на клетках человека.
Так, спустя почти сто лет, окончательно решился давний теоретический спор великих научных соперников. Решился тем, что оба были правы - их теории дополняли друг друга, причём теория И. И. Мечникова получила новое экспериментальное подтверждение.
А фактически произошла концептуальная революция. Оказалось, что 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, хотя многие детали того, как всё это регулируется, ещё предстоит установить.
«Адъювант его превосходительства»
Новые взгляды на взаимодействие врождённой и приобретённой ветвей иммунитета помогли разобраться в том, что до сей поры было непонятно.
Как действуют вакцины в тех случаях, когда они работают? В общем (и весьма упрощённом) виде это происходит примерно так. Ослабленный возбудитель болезни (как правило, вирус или бактерия) вводится в кровь животного-донора, например лошади, коровы, кролика и т.д. Иммунная система животного продуцирует защитный ответ. Если защитный ответ связан с гуморальными факторами - антителами, то его материальные носители можно очистить и перенести в кровь человека, одновременно перенося и защитный механизм. В других случаях ослабленным (или убитым) патогеном заражают или иммунизуют самого человека, надеясь вызвать иммунную реакцию, которая сможет защитить от реального возбудителя болезни и даже закрепиться в клеточной памяти на долгие годы. Именно так Эдвард Дженнер в конце XVIII века впервые в истории медицины провёл вакцинацию против оспы.
Однако такая методика срабатывает далеко не всегда. Не случайно до сих пор нет вакцин против СПИДа, туберкулёза и малярии - трёх наиболее опасных заболеваний в мировом масштабе. Более того, на многие простые химические соединения или белки, которые являются чужеродными для организма и просто обязаны были бы инициировать ответ иммунной системы, - ответ не возникает! И часто происходит это по той причине, что механизм основного защитника - врождённого иммунитета - остаётся неразбуженным.
Один из способов преодолеть это препятствие экспериментально продемонстрировал американский патолог Дж. Фрейнд (J. Freund). Иммунная система заработает в полную силу, если враждебный антиген смешать с адъювантом. Адъювант - своего рода посредник, помощник при иммунизации, в опытах Фрейнда он состоял из двух компонентов. Первый - водо-масляная суспензия - выполнял чисто механическую задачу медленного высвобождения антигена. А второй компонент - на первый взгляд достаточно парадоксальный: высушенные и хорошо растолчённые бактерии туберкулёза (палочки Коха). Бактерии мертвы, они не способны вызвать заражение, но рецепторы врождённого иммунитета их всё равно немедленно распознáют и включат защитные механизмы на полную мощность. Вот тогда и запускается процесс активации адаптивного иммунного ответа на антиген, который был подмешан к адъюванту.
Открытие Фрейнда было чисто экспериментальным и поэтому может показаться частным. Но Джэнуэй уловил в нём момент общей значимости. Более того, он даже называл неспособность индуцировать полноценный иммунный ответ на чужеродный белок у экспериментальных животных или у человека «маленьким грязным секретом иммунологов» (намекая на то, что это удаётся сделать только в присутствии адъюванта, а как работает адъювант, никто не понимает).
Джэнуэй и предположил, что система врождённого иммунитета распознаёт бактерии (как живые, так и убитые) по компонентам клеточных стенок. Бактериям, которые живут «сами по себе», нужны для внешней защиты прочные многослойные клеточные оболочки. Нашим же клеткам, под мощным чехлом внешних защитных тканей, такие оболочки не нужны. И синтезируются бактериальные оболочки с помощью ферментов, каких у нас нет, и поэтому компоненты бактериальных стенок - это как раз те химические структуры, идеальные сигнализаторы угрозы инфекции, на которые организм в процессе эволюции изготовил рецепторы-опознаватели.
Небольшое отступление в контексте основной темы.
Жил датский учёный-бактериолог Христиан Иоахим Грам (1853-1938), занимавшийся систематизацией бактериальных инфекций. Он нашёл вещество, которое бактерии одного класса окрашивало, а другого - нет. Те, что окрашивались в розовый цвет, теперь в честь учёного называются грамположительными, а те, что оставались бесцветными, - грамотрицательными. В каждом из классов миллионы различных бактерий. Для человека - вредоносных, нейтральных и даже полезных, они живут в почве, воде, слюне, кишечнике - где угодно. Наши защитные рецепторы умеют избирательно опознавать и те и другие, включая соответствующую защиту против опасных для своего носителя. И краситель Грама мог их различать за счёт связывания (или несвязывания) с теми же самыми «инвариантными» компонентами бактериальных стенок.
Оказалось, что стенки микобактерий - а именно к ним относятся туберкулёзные палочки - устроены особенно сложно и распознаются сразу несколькими рецепторами. Наверное, поэтому у них превосходные адъювантные свойства. Итак, смысл применения адъюванта - обмануть иммунную систему, послать ей ложный сигнал о том, что организм заражён опасным патогеном. Заставить реагировать. А на самом деле в вакцине такого патогена нет вообще или он не такой опасный.
Нет сомнений, что можно будет найти и другие, в том числе неприродные, адъюванты для иммунизаций и вакцинаций. Это новое направление биологической науки имеет колоссальное значение для медицины.
Включаем-выключаем нужный ген
Современные технологии позволяют выключать («нокаутировать») единственный ген у подопытной мыши, который кодирует один из рецепторов врождённого иммунитета. Например, отвечающий за распознавание тех же самых грамотрицательных бактерий. Тогда мышь теряет способность обеспечить свою защиту и, будучи инфицированной, погибает, хотя все остальные компоненты иммунитета у неё не нарушены. Именно так сегодня экспериментально и изучается работа систем иммунитета на молекулярном уровне (пример плодовой мушки мы уже обсуждали). Параллельно клиницисты учатся связывать отсутствие у людей иммунитета к определённым инфекционным заболеваниям с мутациями в конкретных генах. Сотни лет известны примеры, когда в некоторых семьях, родах и даже племенах была чрезвычайно высока смертность детей в раннем возрасте от совершенно определённых болезней. Теперь становится понятно, что в некоторых случаях причина - мутация какого-то компонента врождённого иммунитета. Ген выключен - частично или полностью. Поскольку большинство генов у нас - в двух копиях, то надо специально постараться, чтобы обе копии были испорчены. «Достичь» этого можно в результате близкородственных браков или кровосмешения. Хотя было бы ошибкой думать, что это объясняет все случаи наследственных заболеваний иммунной системы.
В любом случае, если причина известна, есть шанс найти способ избежать непоправимого, хотя бы в будущем. Если ребёнка с диагностированным врождённым дефектом иммунитета целенаправленно защищать от опасной инфекции до 2-3-летнего возраста, то с завершением формирования иммунной системы смертельная опасность для него может миновать. Даже без одного уровня защиты он будет в состоянии справляться с угрозой и, возможно, проживёт полноценную жизнь. Опасность останется, но её уровень снизится в разы. Ещё есть надежда на то, что когда-нибудь генотерапия войдёт в повседневную практику. Тогда больному надо будет просто перенести «здоровый» ген, без мутации. У мыши учёные умеют не только выключать ген, но и включать. У человека это намного сложнее.
О пользе простокваши
Стоит вспомнить ещё об одном предвидении И. И. Мечникова. Сто лет назад он связывал активность открытых им фагоцитов с питанием человека. Хорошо известно, что в последние годы жизни он активно употреблял и пропагандировал простоквашу и прочие кисломолочные продукты, утверждая, что поддержание необходимой бактериальной среды в желудке и кишечнике чрезвычайно важно и для иммунитета, и для продолжительности жизни. И тут он опять оказался прав.
Действительно, исследования последних лет показали, что симбиоз кишечных бактерий и человеческого организма намного глубже и сложнее, чем полагали до сих пор. Бактерии не только помогают процессу пищеварения. Поскольку в них присутствуют все характерные химические структуры микробов, то даже самые что ни на есть полезные бактерии обязаны распознаваться системой врождённого иммунитета на клетках кишечника. Оказалось, что через рецепторы врождённого иммунитета бактерии посылают организму некие «тонизирующие» сигналы, смысл которых ещё не полностью установлен. Но уже известно, что уровень этих сигналов очень важен и если он снижен (например, бактерий в кишечнике недостаточно, в частности от злоупотребления антибиотиками), то это один из факторов возможного развития онкологических заболеваний кишечного тракта.
Двадцать лет, прошедшие с момента последней (последней ли?) революции в иммунологии, - слишком малый срок для широкого практического применения новых идей и теорий. Хотя вряд ли в мире осталась хоть одна серьёзная фармацевтическая компания, которая ведёт разработки без учёта новых знаний о механизмах врождённого иммунитета. И некоторые практические успехи уже достигнуты, в частности в разработке новых адъювантов для вакцин.
А более глубокое понимание молекулярных механизмов иммунитета - как врождённого, так и приобретённого (не надо забывать, что они должны действовать вместе - победила дружба) - неизбежно приведёт к значительному прогрессу в медицине. Сомневаться в этом не стоит. Следует лишь немного подождать.
Но вот в чём промедление крайне нежелательно, так это в просвещении населения, а также в смене стереотипов в преподавании иммунологии. Иначе наши аптеки будут по-прежнему ломиться от доморощенных лекарств, якобы универсально усиливающих иммунитет.
Сергей Артурович Недоспасов - заведующий кафедрой иммунологии биологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, заведующий лабораторией Института молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта РАН, заведующий отделом Института физико-химической биологии им. А. Н. Белозерского.
«Наука и жизнь» об иммунитете:
Петров Р. Точно по цели. - 1990, № 8.
Мате Ж. Человек с точки зрения иммунолога. - 1990, № 8.
Чайковский Ю. Юбилей Ламарка-Дарвина и революция в иммунологии. - 2009, №№ , .
Иммунология - это наука о защитных реакциях организма, направленных на сохранение его структурной и функциональной целостности и биологической индивидуальности. Она самым тесным образом связана с микробиологией.
Во все времена находились люди, которых не поражали самые страшные болезни, уносившие сотни и тысячи жизней. Кроме того, еще в Средние века было замечено, что человек, который перенес инфекционное заболевание, становится к нему невосприимчивым: именно поэтому людей, выздоровевших от чумы и холеры, привлекали к уходу за больными и к захоронению умерших. Механизмом устойчивости человеческого организма к различным инфекциям медики заинтересовались очень давно, однако иммунология как наука возникла лишь в XIX веке.
Создание вакцин
Первопроходцем в данной области можно считать англичанина Эдварда Дженнера (1749-1823), сумевшего избавить человечество от оспы. Наблюдая за коровами, он обратил внимание на то, что животные подвержены инфекции, симптомы которой схожи с оспой (в дальнейшем это заболевание крупного рогатого скота получило название «коровья оспа»), а на их вымени образуются пузырьки, сильно напоминающие оспенные. Во время дойки жидкость, содержащаяся в этих пузырьках, часто втиралась в кожу людей, но доярки редко болели оспой. Дженнер не смог дать научное объяснение этому факту, поскольку тогда еще не было известно о существовании патогенных микробов. Как выяснилось впоследствии, мельчайшие микроскопические существа - вирусы, вызывающие оспу коров, несколько отличаются от тех вирусов, которые поражают человека. Однако иммунная система человека реагирует и на них.
В 1796 году Дженнер привил жидкость, взятую из оспинок коров, здоровому восьмилетнему мальчику. У того возникло легкое недомогание, которое вскоре прошло. Полтора месяца спустя врач привил ему человеческую оспу. Но мальчик не заболел, поскольку в организме его после прививки выработались антитела, которые и защитили его от болезни.
Следующий шаг в развитии иммунологии сделал знаменитый французский врач Луи Пастер (1822-1895). Основываясь на работах Дженнера, он высказал идею, что если заразить человек ослабленными микробами, которые вызовут легкое заболевание, то в дальнейшем этим недугом человек уже не заболеет. У него вы работается иммунитет, и его лейкоциты и антитела легко справятся с возбудителями. Таким образом, роль микроорганизмов в инфекционных заболеваниях была доказана.
Пастер разработал научную теорию, которая позволила применять вакцинацию против многих болезней, и, в частности, создал вакцину против бешенства. Это чрезвычайно опасное для человека заболевание вызывается вирусом, поражающим собак, волков, лисиц и многих других животных. При этом страдают клетки нервной системы. У заболевшего развивается водобоязнь - невозможно пить, поскольку от воды возникают судороги глотки и гортани. Вследствие паралича дыхательных мышц или прекращения сердечной деятельности может наступить смерть. Поэтому при укусе собаки или другого животного необходимо срочно провести курс прививок против бешенства. Сыворотка, созданная французским ученым в 1885 году, успешно применяется и по сей день.
Иммунитет против бешенства возникает всего лишь на 1 год, так что при повторных укусах по истечении этого срока следует делать прививки снова.
Клеточный и гуморальный иммунитет
В 1887 году русский ученый Илья Ильич Мечников (1845-1916), долгое время работавший в лаборатории Пастера, открыл феномен фагоцитоза и разработал клеточную теорию иммунитета. Она заключается в том, что чужеродные тела уничтожаются особыми клетками - фагоцитами.
В 1890 году немецкий бактериолог Эмиль фон Беринг (1854-1917) установил, что в ответ на введение микробов и их ядов в организме вырабатываются защитные вещества - антитела. На основе этого открытия немецкий ученый Пауль Эрлих (1854-1915) создал гуморальную теорию иммунитета: чужеродные тела ликвидируются антителами - химическими веществами, доставляемыми кровью. Если фагоциты могут уничтожать любые антигены, то антитела - только те, против которых они были выработаны. В настоящее время реакции антител с антигенами применяют при диагностике различных заболеваний, в том числе аллергических. В 1908 году Эрлиху совместно с Мечниковым была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине «за работу по теории иммунитета».
Дальнейшее развитие иммунологии
В конце XIX века было установлено, что при переливании крови важно учитывать ее группу, поскольку антигенами для организма являются также нормальные чужие клетки (эритроциты). Особенно остро проблема индивидуальности антигенов встала с появлением и развитием трансплантологии. В 1945 году английский ученый Питер Медавар (1915-1987) доказал, что основной механизм отторжения пересаженных органов - иммунный: иммунная система воспринимает их как чужеродные и бросает на борьбу с ними антитела и лимфоциты. И только в 1953 году, когда было открыто явление, обратное иммунитету, - иммунологическая толерантность (утрата или ослабление способности организма к иммунному ответу на данный антиген), операции по трансплантации стали значительно более успешными.
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.
В конце XVIII века англичанин Эдвард Дженнер использовал коровью оспу для защиты человека от натуральной оспы. Будучи убежденным, что искусственное заражение человека - безвредный способ предотвращения тяжелой болезни, он в 1796 году провел первый успешный эксперимент на человеке.
В Китае и Индии прививку оспы практиковали еще за несколько столетий до ее введения в Европе. Болячками переболевшего оспой человека расцарапывали кожу здорового человека, который обычно после этого переносил инфекцию в слабой, не смертельной форме, после чего выздоравливал и оставался устойчивым к последующим заражениям оспой.
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.).
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" ( рис. 2). 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".
Одновременно с создателем теории гуморального иммунитета Эрлихом 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. Фагоцитоз, открытый Мечниковым, получил в дальнейшем название клеточного иммунитета, а антителообразование, обнаруженное Эрлихом, - гуморального иммунитета. Все завершилось тем, что оба ученых были признаны мировой научной общественностью и разделили между собой Нобелевскую премию по физиологии и медицине за 1908 год.
В течение второй половины XIX века врачами и биологами того времени активно исследовалась роль патогенных микроорганизмов в процессе развития инфекционных болезней, а также возможность формировать искусственную невосприимчивость к ним. Эти исследования привели к изучению фактов о естественной защите организма от инфекций. Пастер предложил научному сообществу идею так называемой "исчерпанной силы". Согласно этой теории, вирусная невосприимчивость является таким состоянием, при котором человеческий организм не является благотворной питательной средой для инфекционных агентов. Однако эта идея не могла объяснить целый ряд практических наблюдений.
Мечников: клеточная теория иммунитета
Эта теория появилась в 1883 году. Создатель клеточной теории иммунитета опирался на учение Чарльза Дарвина и основывался на изучении процессов пищеварения у животных, которые располагаются на различных ступенях эволюционного развития. Автор новоявленной теории обнаружил некое сходство во внутриклеточном переваривании веществ у клеток энтодермы, амеб, тканевых макрофагов и моноцитов. Собственно, иммунитета создал известнейший русский биолог Илья Мечников. Его работы в этой области продолжались достаточно долго. Начало им было положено еще в итальянском городе Мессина, в котором микробиолог наблюдал за поведением и личинок
Патолог обнаружил, что блуждающие клетки наблюдаемых созданий чужеродные тела окружают, а затем поглощают их. Кроме того, они рассасывают и следом уничтожают те ткани, которые не нужны организму более. Он приложил немало усилий для разработки своей концепции. Создатель клеточной теории иммунитета ввел, собственно, понятие «фагоциты», выведенное от греческих слов «фагес» - поедать и «китос» - клетка. То есть новый термин буквально означал процесс поедания клеток. К идее таких фагоцитов ученый пришел несколько ранее, когда изучал внутриклеточное пищеварение в различных клетках соединительной ткани у беспозвоночных: губок, амеб и прочих.
У представителей высшего животного мира самыми типичными фагоцитами могут быть названы белые кровяные тельца, то есть лейкоциты. Позднее создатель клеточной теории иммунитета предложил разделять такие клетки на макрофаги и микрофаги. Правильность такого разделения подтверждали достижения ученого П. Эрлиха, который дифференцировал разные типы лейкоцитов посредством окраски. В своих классических работах, посвященных патологии воспаления, создатель клеточной теории иммунитета сумел доказать роль фагоцитирующих клеток в процессе элиминации патогенов. Уже в 1901 году вышел в мир его фундаментальный труд о невосприимчивости к инфекционным болезням. Кроме самого Ильи Мечникова, значительный вклад в развитие и распространение теории фагоцитарного иммунитета внесли И.Г. Савченко, Ф.Я. Чистович, Л.А. Тарасевич, А.М. Березка, В.И. Исаев и ряд других исследователей.
