Основи імунології - Курс лекцій М. В. Скок - Київ 2002

Розділ IIІ. Імунні процеси на рівні цілого організму

Лекція 13. Загальні імунологічні феномени

1. Протиінфекційний імунітет.

а) відповідь на бактеріальні інфекції.

Бактерії, що потрапляють в організм, зустрічаються спочатку силами неспецифічного захисту і доімунними (природними) антитілами. Антитіла опсонізують бактерії і сприяють їх фагоцитозу макрофагами, а також доповнюють альтернативний шлях активації комплементу. Активовані макрофаги продукують ІЛ- 12, що сприяє розвитку Тх1 і включає клітинну гілку імунітету. Інтерферон-γ і ІЛ-2, які продукуються Тх1, активують природні кілери і попередники ЦТЛ. Інтерферон сприяє експресії МНС ІІ і Fc-рецепторів на макрофагах і дендритних клітинах, що підвищує гуморальний імунітет.

Природні антитіла також утворюють з бактеріями і продуктами їх життєдіяльності імунні комплекси, що зв’язуються базофілами, тучними клітинами і Т клітинами і викликають продукцію ІЛ-4, який сприяє розвитку Тх2 і включенню гуморальної ланки імунітету. Функції антитіл в анти-бактеріальному імунітеті:

- зв’язування і нейтралізація токсинів;

- активація комплементу;

- опсонізація.

В сироватці містяться IgM та IgG, в слизових оболонках ІgА, які запобігають адгезії бактерій до слизових оболонок. IgE, які зв’язують відповідні антигени, взаємодіють із тучними клітинами і сприяють звільненню медіаторів запалення, що, в свою чергу, сприяє міграції у місце запалення лімфоцитів. IgG, які здатні зв’язувати комплемент, сприяють знищенню бактерій за класичним шляхом активації комплементу.

Продукти зруйнованих бактерій, а також їхні токсини ендоцитуються макрофагами і дендритними клітинами і представляються з МНС ІІ, а якщо бактерія є внутрішньоклітинним паразитом, то інфіковані клітини представляють її на поверхні із МНС І. Отже, бактеріальна інфекція включає як клітинні, так і гуморальні сили імунітету. Перевага тих чи інших залежить від типу бактерії і її метаболізму в макроорганізмі. Якщо бактерія не паразитує всередині клітин, то для її знищення досить неспецифічних і гуморальних механізмів. У тих випадках, коли має місце внутрішньоклітинна інфекція, не обійтись без клітинної відповіді.

б) відповідь на вірусні інфекції.

Віруси розмножуються всередині інфікованих клітин, тому головним засобом боротьби із розвинутою вірусною інфекцією є клітинний імунітет. Антитіла ефективні на тих стадіях, коли вірус ще не потрапив у клітину, вони нейтралізують вірус і запобігають його зв’язуванню з клітинами, тобто опосередкують протективний імунітет. На цьому принципі успішними є вакцинування проти вірусів корі, паротиту, поліомієліту. Антитіла виступають як допоміжний засіб для знищення вірусних залишків при клітинному імунітеті і можуть також сприяти комплемент-залежному лізису заражених клітин. Інтерферони α і β діють безпосередньо на вірус, а інтерферон-γ активує як неспецифічний захист (макрофаги, природні кілери), так і клітинну імунну відповідь, а також прямо заважає реплікації вірусу в клітині. Знищення заражених клітин виконують макрофаги, природні кілери і цитотоксичні Т лімфоцити.

Імунізація мертвим вірусом призводить до утворення тільки гуморального імунітету, в той час як одужання після вірусної інфекції призводить до утворення цитотоксичних клітин пам’яті. Велику проблему представляє швидка видозміна вірусів, що заважає створенню ефективних вакцин, наприклад, проти вірусу грипу.

в) відповідь на паразитарні інфекції

Це окрема і досить складна тема в імунології. Справа в тому, що паразитарні агенти (простіші, гельмінти) є більш складними, порівняно з бактеріями і вірусами, як за антигенним складом, так і за характером метаболізму. Багато із них у своєму розвитку проходять декілька стадій, кожна з яких характеризується своїм антигенним складом і спеціальною локалізацією (прикладом є малярійний плазмодій). Саме тому створення вакцин проти таких інфекційних агентів є справою, що майже не вирішується. Це однак не означає, що організм не продукує імунної відповіді на такі інфекції. На певних стадіях захисними є антитіла, які виконують опсонізацію паразитів і сприяють їх фагоцитозу і комплемент-залежному лізису. Особливу роль відіграють імуноглобуліни класу Е, які зв’язуються з еозінофілами і сприяють екзоцитозу ними еозінофільних гранул, що виконують позаклітинний лізис паразитів, зокрема гельмінтів. Активується також і клітинна гілка імунної відповіді.

г) вакцини

Вакцини є засобом, що дозволяє запобігти інфекції шляхом створення протективного імунітету, завдяки якому інфекційний агент, потрапивши в організм, зустрічається з готовою армією захисників.

Першими вакцинами, запропонованими ще з часів Пастера, були так звані атенуйовані вакцини. При цьому в організм вводилися вбиті або ослаблені збудники інфекції (або штами, вірулентні для іншого виду тварин), які часто викликали захворювання в слабкій формі і надавали стійкого імунітету. Однак такі спроби не завжди бували вдалими, наприклад, вакцина Солка проти поліомієліту коштувала здоров’я тисячам американських дітей, оскільки деякі партії її виявилися недостатньо ослабленими. Цей ризик існує завжди, окрім того, введення цілого збудника із великою кількістю антигенних детермінант часто призводить до небажаних побічних, в тому числі алергічних реакцій. Тому при розробці нових вакцин пошук, природно, йшов у напрямку спрощення їх антигенного складу. Спочатку було запропоновано так звані субодиничні вакцини, що містили вже не цілий збудник, а тільки його частку, що і викликала протективний імунітет.

З 70-х років, коли стали інтенсивно вивчати антигенну будову окремих білків, з’явилася ідея створення комбінованих синтетичних вакцин, які б містили пептиди - антигенні детермінанти різних збудників і викликали б одночасно імунітет проти різних хвороб. Виявилося, однак, що короткі пептиди, які містять тільки В епітопи, як правило, не дають стійкого імунітету. Постало питання об’ єднання в одній вакцині В епітопу, Т-хелперного епітопу і Т-цитотоксичного епітопу, а також стимуляції відповіді проти декількох епітопів збудника і посилення імунної відповіді шляхом введення природного ад’юванту. У 70-80-х роках ці питання вирішували синтезуючи пептиди штучно, по мірі розвитку молекулярно біологічних методів стали використовувати рекомбінантні вакцини. Зараз створення таких вакцин відбувається у декілька етапів:

1) визначення положення В, Т і цитотоксичних епітопів збудника;

2) синтез олігонуклеотидів, що кодують ці фрагменти;

3) вбудовування цих олігонуклеотидів в гени білків вірусу, який успішно використовується для імунізацій (наприклад, вірусу коров’ячої оспи або аденовірусу) або в ген бактеріального білка;

4) індукція синтезу таких химерних білків у бактеріях для отримання потрібної кількості антигенного матеріалу.

Таким шляхом, наприклад, було створено експериментальну вакцину проти грипу.

В останні роки набули популярності так звані ДНК-вакцини. Виявилося, що якщо в організм людини чи тварини внести у вигляді плазміди неметильовану ДНК, що кодує певний білковий епітоп, то організм успішно виробляє проти цього епітопу як гуморальний, так і клітинний імунітет. Перші експерименти по вивченню метаболізму такої введеної ДНК показали, що вона фагоцитується макрофагами і після проходження лізосомального протеолізу (який не завдає їй ніякої шкоди) вбудовується в геном макрофагів. Макрофаги починають синтезувати потрібний епітоп як свій білок і представляти його з МНС І. Надлишок білка секретується назовні і може представлятися з МНС ІІ. Таким чином, активуються як клітинна, так і гуморальна імунна відповідь. Можливість використання ДНК-вакцин зараз знаходиться у стані інтенсивного вивчення, і, можливо, саме за такими вакцинами майбутнє.

2. Алогенні реакції організму.

Окрім боротьби із інфекційними агентами, імунна система виконує контроль за постійним складом власного організму і знищує клітини, що підлягли мутаціям, або клітини інших індивідів даного виду (алогенні), що потрапили в організм.

Експериментально, алогенну реакцію можна спостерігати на моделі змішаної культури лімфоцитів. Якщо сумісно культивувати лімфоцити мишей двох різних ліній, то через 1-2 дні спостерігається їх проліферація і інтенсивна секреція цитокінів. При цьому взаємно розпізнаються як МНС І, так і МНС ІІ, що несуть алогенні пептиди. Така реакція пояснюється тим, що Т лімфоцити кожної лінії, відібрані позитивним і негативним відбором, що розпізнають чужерідні пептиди у контексті власного МНС, сприймають алогенний МНС як "видозмінений свій", тобто як свій, що несе чужерідний пептид.

В природних умовах організм зустрічається з видозміненими своїми або алогенними клітинами у випадках пухлинного росту, запліднення і вагітності. Штучною, але важливою і досить частою ситуацією є трансплантація органів і тканин.

При заплідненні в жіночий організм потрапляють алогенні клітини (сперматозоїди), які потенційно можуть бути розпізнані як чужерідні. Очевидно, що природа розробила спеціальні захисні механізми проти такого розпізнання (інакше статеве розмноження було б неможливим). Статеві шляхи непроникні для ЦТЛ, а слизові секрети посідають імуносупресорної активності. Але ці бар’єри не є абсолютними, і причиною багатьох випадків безпліддя є наявність в організмі жінки анти-спермальних антитіл, які зв’ язують сперматозоїди, заважають їхньому руху і запобігають заплідненню. Це, як правило, імуноглобуліни класу А, але спостерігаються і сироваткові анти-спермальні IgG. Наявність анти-спермальних антитіл є серйозною проблемою для тих, хто бажає завагітніти, і, навпаки, є надією для тих, хто хоче цьому запобігти. Тому із індукцією такої відповіді пов’язані ідеї створення "вакцини проти вагітності".

Коли запліднення успішно відбулося, в жіночому організмі починає розвиватися плід, який несе генетичну інформацію як матері, так і батька, тобто для матері він є до певної міри алогенним трансплантатом. Зараз до кінця не з’ясовано, які захисні механізми заважають організму матері розвинути імунну відповідь на алогенний плід. Ясно, що плацента є фізичним бар’єром, крізь який не проникають ЦТЛ і деякі класи антитіл. Плацента не експресує антигенів МНС І і ІІ. Очевидно, що при вагітності спрацьовують певні регуляторні механізми, що запобігають імунному розпізнанню плоду. Захист не є абсолютним: відомий феномен резус-конфлікту, коли резус- негативний організм матері реагує на резус антигени плоду виробкою специфічних антитіл. З іншого боку, антитіла матері, які плід отримує спочатку крізь плаценту (IgG), а потім із молозивом (IgA) є першим засобом імунного захисту новонародженого.

Пухлинний ріст до деякої міри має аналогію із станом вагітності. Справа в тому, що при розвитку багатьох пухлин спостерігається поява в крові білків, які характерні для стану ембріонального розвитку і які знаходять в крові вагітних. Це альфа-фетопротеїн, раково-ембріональний антиген і трофобласт-специфічний глобулін. Очевидно, ці білки характерні взагалі для процесів інтенсивного росту. Також існує точка зору, що при пухлинному рості відбувається дедиференціювання клітин і повернення їх до псевдо-ембріонального стану.

Знаходження раково-ембріональних антигенів породило великі надії на імунне подолання раку, створення відповідної вакцини. Такі надії стимулювало також відкриття онкогенів - генів, що активуються при пухлинному рості. Спочатку сподівалися, що їх продукти можуть бути специфічними раковими антигенами. Однак по мірі зростання рівня знань про природу раку, надії на створення вакцини ставали все більш ефемерними. Зокрема, було з’ясовано, що онкогени кодують звичайні ростові фактори або рецептори до них і процес злоякісного переродження не завжди супроводжується появою нових антигенів. Крім того, було показано, що клітини пухлин змінюють характер експресії білків гістосумісності, що теж не сприяє їх імунному розпізнанню.

Хоча надії на вакцину проти раку виявилися марними, цілий ряд досліждень було проведено для того, щоб стимулювати імунну відповідь власного організму, коли пухлина почала розвиватися. Зокрема, робили спроби імунізувати хворого власне клітинами пухлин (тобто вводити їх з ад’ювантами). Великі надії покладали у свій час на активацію ЦТЛ інтерлейкіном-2. Для цього виділяли лейкоцити хворого, обробляли їх в культурі ІЛ-2 і знов повертали до організму, сподіваючись, що так буде досягнуто їх активації. Однак у багатьох випадках така тотальна активація призводила і до стимуляції супресорної активності. Більш сучасним підходом стали спроби вбудувати у виділені клітини пухлин гени ІЛ-2 і рецептору до ІЛ-2, щоб зробити клітини чутливими до дії цього цитокіну. Хворим давали також ІФНу, щоб стимулювати активність природних кілерів, яких вважають головними у знищенні потенційних ракових клітин. Всі ці підходи давали певні результати у певних випадках, однак універсального імунологічного засобу боротьби із злоякісними захворюваннями створено не було. Зараз, із розвитком нових модних напрямків в молекулярній біології акценти надій у подоланні онкологічних захворювань змістилися в інші області. Зокрема, це спроби активувати апоптоз в пухлинних клітинах шляхом маніпуляцій із білками р53 і Bcl-2, а також використання антагоністів фактору росту ендотелію судин (VEGF) для припинення розростання пухлини. Відомо, що злоякісна пухлина може збільшуватися тільки тоді, коли її ріст супроводжується розвитком судин, що приносять поживні речовини пухлинним клітинам. Заблокувавши ріст судин, можна фактично припинити збільшення пухлини. На сучасний момент цей напрямок вважається перспективним для лікування солідних пухлин.

Імунологічні підходи залишилися важливими для діагностики злоякісних перетворень і для певних підходів хіміотерапії:

1) імунологічні методи визначення раково-ембріональних антигенів в крові і на клітинах використовують для діагностики ракових і передракових станів;

2) моноклональні антитіла до цих антигенів, кон’юговані з радіоактивними ізотопами міді, бору, технецію, використовують як для локалізації пухлини (за допомогою рентгенографії), так і для локальної променевої терапії (знищення пухлинних клітин радіоактивним опроміненням);

3) такі ж антитіла, або їх фрагменти, кон’юговані із рослинними чи бактеріальними токсинами (ріцином, субодиницею дифтерійного токсину) є потенційною зброєю для знищення трансформованих клітин.

Штучним засобом стимуляції алогенної імунної реакції є трансплантація органів і тканин у межах одного виду. Найбільш поширеним типом трансплантацій є переливання крові. Система антигенів, що розпізнається при цьому, була відкрита ще Карлом Ландштайнером. Це полісахаридні антигени, представлені на еритроцитах. Зараз їх відомо досить багато, але головними при розпізнанні залишаються антигени груп крові А, В, 0 і резус-антиген. Для успішного переливання крові принциповим є підбір пар донор-реципієнт, сумісних по цим антигенам. Переважно також переливати не цільну кров, а тільки еритроцитарну масу, щоб уникнути розпізнання антигенів, представлених на інших клітинах крові.

Необхідно зазначити, що трансплантована кров працює в організмі реципієнта лише деякий час, поки не поповнються власні запаси крові. На відміну від цього, при трансплантації інших органів і тканин передбачається, що трансплантат буде заміщати власний орган чи тканину пацієнта досить довго, в ідеалі - до кінця життя. При таких трансплантаціях головними антигенами, що розпізнаються, є антигени гістосумісності І класу (у комплексі з алогенними пептидами). Розрізняють:

- аутотрансплантації, коли пересадку роблять в межах одного організму, наприклад, пересаджуючи шматки власної шкіри на місця опіків;

- ізотрансплантації, які проводять між однояйцевими близнюками або між тваринами однієї лінії;

- алотрансплантації - це трансплантації між різними особистостями одного виду, і

- гетеро- (або ксено-) трансплантації - це міжвидові пересадки органів чи тканин.

Очевидно, що відторгнення трансплантату відбувається тільки у двох останніх випадках. Механізм відторгнення - переважно клітинний, який супроводжується інфільтрацією трансплантату імунними клітинами реципієнту. При цьому на різних стадіях відторгнення приймають участь майже всі відомі механізми імунних реакцій: лізис макрофагами і природними кілерами, опсонізація антитілами і комплемент-залежний лізис, руйнування клітин трансплантату ЦТЛ.

Незважаючи на потенційну небезпеку відторгнення, у світі зараз проводяться тисячі операцій по трансплантації нирок, печінки, легенів і серця. Щоб запобігти відторгнення, перш за все, важливо підібрати максимально сумісні пари донор-реципієнт. Для цього робиться ретельне HLA-типування обох індивідів. Однак вірогідність 100% подібності при алотрансплантації мізерна, тому ризик відторгнення зберігається. Успіх трансплантації залежить від умілого застосування імунодепресантів. На ранніх етапах трансплантаційної практики застосовували препарати-цитостатики: метатрексат, циклофосфамід, азатіоприн, - які пригнічували синтез нуклеїнових кислот і уповільнювали таким чином розмноження імунних клітин. Очевидно, що ці препарати, які застосовують також в онкологічній практиці, мають багато побічних ефектів і негативно впливають на організм реципієнта. Використовують також стероїдні препарати (преднізолон), які, як зазначалося в попередніх лекціях, є токсичними для багатьох імунних клітин і запобігають їх активації. Революційним кроком в трансплантології стало використання циклоспорину А - циклічного 11-членного пептиду, виділенного із грибів. Циклоспорин А є інгібітором кальціневріну і впливає лише на клітини, що активуються антигенами трансплантату, а клітини пам’яті, що також присутні в організмі, при цьому не пошкоджуються.

Деякі органи, що мають низький рівень експресії антигенів МНС І, не відторгаються. Такими є роговиця ока, хрящі і кістки. Пересадки кісткового мозку, як правило, проводять людям із пошкодженою імунною системою, тому ризик відторгнення знижений.

Необхідно зазначити, що якщо в трансплантаті є імунокомпетентні клітини, а відторгнення пригнічене, то трансплантат проявляє імунну агресію по відношенню до реципієнта, цей феномен отримав назву «реакції трансплантату проти хазяїна". Ця реакція супроводжується лихоманкою, анемією, втратою ваги, висипаннями на шкірі, діареєю і може у крайніх випадках призвести до загибелі реципієнту.