Раздел 3. Антитела, реакции взаимодействия «антиген-антитело»
В предыдущей части лекции мы дошли до того момента, когда антигенпрезентирующие клетки на своей мембране принесли в лимфоузел «портрет врага» в виде комплекса «антиген-молекула ГКГ-II». Т-лимоциты опознали это «лицо» в своей самой исчерпывающей во Вселенной «криминалистической картотеке», и запустили адаптивный иммунный ответ уже против конкретного «нарушителя». И помимо прочего, «разбудили» своих напарников – В-лимфоциты.
В-лимфоциты точно так же, как их Т-«коллеги», узнают проникшие в организм антигены. Причём для этого им не нужны антигенпрезентирующие клетки – В-лимфоцит прекрасно справляется самостоятельно. Хотя и от помощи не отказывается: если патоген опсонизирован молекулами комплемента, это значительно облегчает работу В-лимфоцита.
Рецептор В-лимфоцита к антигену похож на вилку или скорее ухват (возможно, вы видели этот инструмент для русской печи, при помощи которого в неё ставят и достают горшки и чугунки): из «рукоятки» Fc-фрагмента выходят два «рожка» Fab-фрагментов, каждый со своим участком связывания. Структура этого участка запрограммирована генетически, что позволяет клонам В-лимфоцитов по принципу строгого соответствия «ключ-замОк» опознавать «свой» антиген (не забывайте, что у разных линий клонов «ключи» разные, поэтому лимфоцитарная система в целом может подобрать «отмычку» к любому патогену).
Активированный сигналом своего рецептора и воздействием лимфоцита из популяции Т-хэлперов, В-лимфоцит превращается в плазматическую клетку, которая начинает не только экспрессировать рецепторы к антигену на своей мембране, но и просто выделять их в окружающее пространство. А для В-лимфоцита лимфоузла или селезёнки это пространство – кровь и лимфа. Белковая молекула, специфичная к антигену, циркулирующая в крови – вы ведь уже догадались, что это? Да, конечно – антитело!
Именно синтез антител является основной функцией В-лимфоцитов, превратившихся при активации в плазматические клетки. Это настоящие самоотверженные трудяги: срок их жизни после активации всего несколько дней, но за это время они успеют произвести огромное количество антител. Затем резервы работающей «на износ» клетки истощаться и она погибнет, но пока из тканей продолжают прибывать дендритные клетки, «сигналя» антигенами Т-лимфоцитам, цикл будет продолжаться вновь и вновь, поддерживая образование новых продуцирующих антитела плазматических клеток. Так работает первичный иммунный ответ.
Честно говоря, в этой лекции сознательно опущен ряд нюансов жизненного цикла наших иммунных клеток и их кооперации меж собой. Так, для активации В-лимфоцита и его превращения в плазматическую клетку на самом деле нужно, чтобы он провзаимодействовал с Т-лимфоцитом, имеющим рецептор к тому же антигену! Без этого срок жизни В-лимфоцита не продлится больше суток, а синтезированные им за это время антитела будут иметь слабую аффинность к антигену (т.е. «ухват» антитела подойдёт к «горшку» антигена, но так плохо, что того и гляди выпадет). Такой механизм выработан, чтобы не продуцировать избыточное количество антител, ведь они усиливают воспаление, а это не очень хорошо для организма.
Однако если бы после окончательной победы над микробом все В-лимфоциты просто умерли, то большого смысла городить из них целую подсистему иммунитета не было. Поэтому часть из них вместо того, чтобы отдать жизнь в труде, просто «заснёт», превратившись в В-клетки памяти. Последние нужны на случай повторного проникновения того же патогена. Тогда, опознав его антигены, В-клетки спросонок кричат: «Хе-хей, старый знакомый!» - и тут же начинают производить против него антитела.
Кроме того, антитела при вторичном иммунном ответе в основном представлены другим их классом.
У человека различают 5 классов антител. Все они являются белками глобулиновой фракции, поэтому антитела (особенно если они получены искусственно) ещё называют иммуноглобулинами (Ig): IgA, IgG, IgD, IgE, IgM.
Класс А в основном выделяется в составе секрета слизистых, позволяя бороться с микробами на их поверхности, а т.ж. в дыхательных путях и ЖКТ (он же выделяется с материнским молоком, обеспечивая пассивный иммунитет грудных детей)
Класс D, как правило, связан на поверхности В-лимфоцита в составе рецептора, а также участвует в активации некоторых иммунных клеток
Класс Е играет роль в защите от паразитов (гельминтов, например), а т.ж. в запуске аллергических реакций
Класс М образуется при первой встрече с патогеном, и по строению напоминает не «ухват», а скорее «ромашку» - у него вместо 2-х участков связывания аж 10! Это нужно, чтобы малым числом антител связать как больше антигена.
При повторной встрече с уже известным антигеном IgM тоже синтезируется, но основная роль при вторичном иммунном ответе принадлежит классу G. Поэтому если определить в крови антитела к какому-либо микробу в разбивке на классы (распространённый способ серологической диагностики заболеваний), то наличие только IgM будет говорить о свежем инфицировании, IgM+IgG – о текущей инфекции, а присутствие только IgGскорее всего говорит о давней встрече с инфекцией, и если их уровень достаточно высок – о наличии иммунитета к ней.
А ещё IgG способны проходить через гематоплацентарный барьер из крови матери в кровь плода, и это ещё один механизм формирования т.н. пассивного иммунитета новорождённого (о типах иммунитета будет сказано ниже).
Антитела выполняют ряд универсальных функций. Например, активируют систему комплемента по классическому пути (в основном этим свойством обладают IgM и, в меньшей степени, IgG) и усиливают выделение медиаторов воспаления тучными и другими клетками. Однако большинство защитных свойств антител основаны всё же на специфической реакции связывания «антиген+антитело» (кратко записывают: «реакция Аг-АТ»).
Так, за счёт взаимодействия участков связывания с патогеном, антитела облепляют его со всех сторон. Поскольку таких участков на одной молекуле антитела минимум два, то она может одновременно связать несколько микробных тел (вирусов или бактерий), склеивая (агглютинируя) их друг с другом. Это лишает вирусы возможности нормально взаимодействовать с клетками, а бактериям мешает размножаться и двигаться. Как реакции агглютинации выглядят зрительно, вы уже знаете из дополнительного материала о кишечной палочке.
Кстати, с отдельными молекулами антитела могут поступать так же. Помните, мы говорили, что микробные и другие биологические токсины тоже считаются патогенами? Как правило, они имеют белковую природу, а значит, являются самостоятельными антигенами. Разбор действия иммунных механизмом мы начали с примера инфицирования столбнячной бактерий, выделяющей очень мощный экзотоксин. Заболевание, которое может развиться в результате такого инфицирования, называется столбняк и характеризуется прогрессирующим параличом мышц вплоть до тех, которые обеспечивают дыхательные движения грудной клетки человека. В случае их поражения столбнячным тетанотоксином заболевший умирает от удушья.
Однако если в крови человека есть специфичные к такому токсину антитела, они связывают его молекулы, обездвиживают их, не давая распространиться по организму и отравить клетки. Так же действует иммунитет против токсина дифтерийной палочки или, скажем, ботулотоксина. Это, схожее с агглютинацией, явление связывания молекул называется преципитацией.
Облепленный антителами патоген гораздо проще «нащупать» клеткам иммунной системы, потому что большинство их имеют рецептор к Fc-фрагменту антител («рукоятке ухвата»). Т.е. они словно «прозревают», и становятся способны специфически опознавать антигены патогенов, даже если их собственные рецепторы на них не срабатывают (вспомните сравнение с собакой-поводырём из начала лекции). После чего макрофаги намного легче поглощают преципитированные токсины или агглютинаты бактерий.
Раздел 4. Понятие об искусственном иммунитете. Вакцины и сыворотки
Все описанные ранее события и этапы иммунного ответа предполагали, что в организм проник извне патогенный микроб, то есть, как мы изучали в лекции об инфекционном и эпидемическом процессах, привёл к инфицированию. Если иммунитет быстро справится со своей задачей, например за счёт мощного вторичного иммунного ответа на знакомый антиген, то мы даже и не узнаем об этом – в крайнем случае, переболеем в стёртой форме. В противном случае разовьётся инфекционное заболевание (если виновником стали условно-патогенные бактерии, вызвавшие, например, нагноение операционной раны, то говорят о гнойно-воспалительном заболевании, но иммунитет активируется в любом случае). Если организм справится с инфекцией и не погибнет, то выработавшийся в результате иммунитет будет считаться естественным и активным (инфекции существуют в естественной природе, а для победы над заражением иммунитету пришлось активно потрудиться).
Однако, когда люди узнали, как работает иммунитет (и даже раньше), у наиболее пытливых из них возник вопрос: а можно ли как-то сделать так, чтобы иммунитет сработал – «познакомился» с антигеном – а заболевание не возникло. А у наиболее пытливых из вас, по-хорошему, должен был родиться не только такой вопрос, но и ответ на него. Даже два ответа: раз в основе иммунитета лежит реакция взаимодействия антиген-антитело, то для решения поставленного вопроса нужен либо антиген отдельно от цельного возбудителя, либо готовые антитела. Правда тут же рождается следующий вопрос: где то или другое взять?
С антигеном решение нашли быстро. Сначала Эдвард Дженнер ещё в конце 18-го века из своих наблюдений предположил, что близкородственные возбудители могут формировать перекрёстный иммунитет. Правда, ни одного из этих терминов в то старинное время Дженнер не знал – он просто обратил внимание, что доярки на фермах, где распространена коровья оспа, почти не болеют человеческой натуральной оспой. И проведя эксперимент с заражением 9-ти летнего ребёнка содержимым сначала оспенного пузырька с вымени больной коровы, а спустя некоторое время – такого же пузырька от больного натуральной оспой, Дженнер подтвердил свою правоту: подопытный Джеймс Фиппс не заразился. В наше время за такие «эксперименты по живому» Дженнеру бы не поздоровилось, но напомню: на дворе стоял 1796 год, средняя продолжительность жизни в Европе составляла всего 35-37 лет (автору этих строк, например, уже бы ставили прогулы на кладбище), а «любовь и чёрная оспа миновали лишь немногих», - по выражению одного из романистов того времени.
Лиу Пастер более чем полвека спустя подходил к работе уже с более научных позиций. В ходе своей работы он заметил, что ослабленная определёнными способами чистая культура возбудителя инфекции либо перестаёт вызывать заболевание, либо заболевшие переболевают легко (мы бы сказали, что у возбудителя снижается вирулентность). Это позволило Пастеру создать сначала вакцину против холеры цыплят, а затем против сибирской язвы – когда последняя была успешно испытана на животных, восторженные фермеры согласились подставить под прививку и собственные конечности. Из уважения к работам Дженнера с коровьей оспой, Пастер оставил за всей этой группой препаратов название «вакцина» - от лат. «вакка», корова.
Вакцины, приготовленные по такому типу, получили название живых ослабленных (аттенуированных) – к сожалению, при их использовании есть минимальная, но реальная вероятность, что у ослабленного человека они вызовут полноценный инфекционный процесс. Поэтому уже следующая вакцина Л.Пастера – против бешенства – была, как бы мы сказали сегодня, инактивированной. Он готовил её из подвергнутых высушиванию и обработке формалином тканей мозга погибших от бешенства кроликов. Вирус-возбудитель бешенства при этом погибал, однако белки вирусного капсида не разрушались настолько, чтобы иммунитет переставал узнавать в них характерные антигены. Хулигански выражаясь, Пастер начистил возбудителю бешенства фейс, но не настолько, чтобы его мама родная не узнала. По сути, это была первая «научно обоснованная» цельновирионная инактивированная вакцина. Вы, конечно, уже поняли, что риск заразиться инфекцией при введении такого препарата отсутствует – ведь живого возбудителя в нём нет.
Дальше этот принцип начал совершенствоваться. Не будем вдаваться глубоко в историю создания вакцин, скажем только, что со временем учёные научились так ювелирно расщеплять микробные тела возбудителей, чтобы получать отдельные очищенные антигены: по такому принципу созданы современные инактивированные вакцины против гриппа, например – т.н. сплит-вакцины, от англ. split – «расщеплённый». За счёт отсутствия в составе вакцины ненужных веществ и лишних антигенов, они дают меньший риск аллергических и других побочных реакций.
Наконец, некоторые белковые антигены для вакцин синтезируют искусственно. Но не химическим путём, соединяя последовательно нужные аминокислоты (это очень сложно и дорого), а хитрее. Ген, кодирующий интересующий нас белок, вырезают из генома возбудителя. Затем вместе с геном-регулятором специальными методами вносят в геном организма-продуцента – чаще всего определённых видов дрожжей или в кишечную палочку. И такой генно-модифицированный организм начинает синтезировать чужой белок как свой собственный. Остаётся выделить его из среды биореактора, очистить и приготовить вакцину. Например, так делают многие современные вакцины против вируса гепатита В.
Наконец, совсем недавно в арсенале медиков появились особые – векторные – вакцины. На этот раз кодирующий антиген участок генома вводят не в организм-продуцент, а в вирус, который должен будет заразить клетки прививаемого человека. Если вы помните из 1-ой лекции, как действуют вирусы в живой клетке – они подчиняют себе её белоксинтезирующий аппарат и производят на нём собственные белки. Но у вакцинного вируса из генома предварительно удаляют те участки, которые отвечают за копирование его самого – т.е. он не размножается, а значит и не вызывает заболевание. Вся его роль сводится к тому, чтобы доставить в клетки ген, кодирующий нужный нам антигенный белок. Т.е. он просто проводник, «вектор», если угодно извозчик для такого гена. Вот его-то и начнёт транскрибировать наша клетка, синтезируя затем в своих рибосомах. Но наш иммунитет не проведёшь, он распознает и уничтожит зараженную даже таким «дефектным» вирусом клетку, а среди её «потрохов» антигенпрезентирующие клетки найдут тот самый антиген, который был доставлен вирусом-вектором. И естественно понесут Т-лимфоцитом, чтобы те запустили весь дальнейший механизм по приобретению иммунной памяти.
Зачем такая сложная «многоходовочка», - спросите вы? Затем, что не всегда получается ранее отработанными методами получить нужный антиген. Иногда «измордованный» нашими манипуляциями по выделению и очистке антиген становится слишком непохож на свой «боевой» прототип в составе возбудителя. Это как если бы полицейские пытались найти преступника по описанию единственного свидетеля, столкнувшегося с ним мельком в глубоких сумерках. А антиген, синтезированный клеткой из «подсаженного» гена, – это уже как фотография в 4К разрешении: один в один соответствует искомому.
Есть особый вид вакцин, которые формируют иммунитет против экзотоксинов бактерий. Возбудителей таких токсикоинфекций довольно много: мы уже упоминали дифтерию, ботулизм и столбняк, говоря о реакциях преципитации их токсинов антителами. Поскольку токсины бактерий – тоже антигены, то будучи обработаны определённым способом для утраты ядовитых свойств и введены в организм, они вызывают специфический иммунитет. Такие препараты получили название анатоксинов.
Одна из широко распространённых вакцин для детского возраста – АКДС – как раз и расшифровывается «анатоксин коклюшно-дифтерийно-столбнячный» (взрослым раз в 10 лет, а также при травмах вводят отдельный «анатоксин столбнячный» либо комбинированный «анатоксин диферийно-столбнячный» - АС-М, АДС-М, где «М» указывает, что это модифицированный препарат с пониженным содержанием антигена).
Однако нужно помнить, что образование антител и вообще адаптивного иммунного ответа – процесс небыстрый. При инфекциях с довольно длительным инкубационным периодом мы можем позволить себе даже экстренную вакцинопрофилактику – введение вакцины уже после т.н. экспозиции возбудителя, т.е. после того, как произошло инфицирование (или мы предполагаем с высокой вероятностью, что оно произошло). Это возможно при профилактике бешенства, вирусного гепатита А (но не гепатита В), ряда других инфекций. Но всё же основным методом вакцинопрофилактики является профилактическая, когда вакцину или анатоксин вводят заблаговременно, чтобы к моменту возможного инфицирования (заражения, травмы, укуса бешенным животным или инфицированным переносчиком) организм уже выработал иммунитет.
Таким образом, помимо естественного активного иммунитета, описанного в начале раздела, возможно формирование искусственного активного иммунитета:
Но всё же иногда совсем нет возможности ждать. Либо возбудитель слишком заразен, либо обстоятельства заражения предрасполагают к быстрому прогрессированию инфекции (например, опасная локализация укусов бешенным животным: близко к центральной нервной системе – голова, шея, места обильной иннервации или прохождения крупных нервов), либо возбудитель активно выделяет токсины (при том же столбняке, дифтерии, ботулизме). Тогда нужно срочно ввести в организм какое-то супер-оружие, способное быстро подавить возбудитель, и если не уничтожить, то хотя бы задержать на время выработки собственного иммунитета.
Если мыслить логически, нам нужны либо клетки иммунной системы, либо готовые антитела, уже «обученные» против соответствующего возбудителя. Где их брать, в определённом смысле, понятно – и те, и другие всегда присутствуют в крови переболевших данным возбудителем и выживших людей. Но на клетки чужого организма иммунитет, скорее всего, ответит так же, как и на инфекцию – атакует и уничтожит. А вот содержащая антитела гипериммунная плазма от переболевших людей первоначально была (и даже в наше время остаётся) таким «супер-оружием».
Однако сразу большое количество переболевших людей обычно можно найти только во время вспышки или эпидемии. Да и не очень гуманно забирать часть богатой белком плазмы у только что перенёсших болезнь ослабленных людей. Пробовали использовать для этого животных, которым вводили небольшие дозы токсинов, а затем отбирали содержащие антитела сыворотку или плазму крови – так до сих готовят антирабический иммуноглобулин против того же бешенства (лат. «рабиес» – бешенство) или против ядов змей (механизм инактивации всех белковых биологических ядов работает более-менее одинаково).
Однако настоящий прорыв произошёл с открытием моноклональных антител. Обычно пролиферирующий (делящийся) В-лимфоцит живёт недолго. Но если в искусственной среде совместить его с клеткой раковой опухоли, обладающей способностью к безудержному делению, то можно получить гибридому – культуру клеток, которая будет постоянно делиться и постоянно вырабатывать антитела. А поскольку один В-лимфоцит, равно как и происходящие от него в процессе пролиферации клоны могут производить только одни определённые антитела, то их назвали моноклональными. Сейчас это важный препарат в лечении как инфекций, так и онкологических заболеваний (мы уже упоминали, что иммунитет играет очень важную роль в борьбе с онкологией).
Препараты на основе готовых антител называют сыворотками или иммуноглобулинами (в зависимости от степени очистки от других белков и примесей). Вам же нужно хорошо запомнить их основное отличие от вакцин: готовые антитела сывороток и иммуноглобулинов работают быстро, но так же быстро выводятся из организма, а главное – не запускают в организме иммунизированного адаптивный иммунный ответ и, следовательно, не формируют иммунную память об инфекции на будущее. Это пассивный иммунитет:
В целом группа перечисленных лечебных и профилактических препаратов называется ИЛП (иммунобиологические лекарственные препараты), а в более ранних источниках вам встретится МИБП – медицинские иммунобиологические препараты, что одно и то же. Таким образом, их классификация следующая:
Итак, описание работы иммунной системы в моём изложении развернулось на две главы и три дополнительных раздела (здесь, туть и воть). Очень хочется надеяться, что это было не напрасно и поможет вам сформировать целостное представление об иммунных механизмах в нашем организме (и попутно развеет некоторые обывательские мифы).
И ещё не хочется разочаровывать, но, несмотря на такой большой объём, это было очень и очень поверхностное описание. Миллионы лет эволюции сформировали настолько сложную систему защиты с множеством компонентов, связей, «регуляторов» и «предохранителей», что порой кажется, будто она вовсе не должна работать. Тем не менее, работает! Да настолько эффективно, что некоторыми инфекциями мы болеем лишь раз, после чего формируется пожизненный иммунитет. Собственно говоря, даже одним и тем же гриппом мы болеем лишь раз в жизни, а периодические эпидемии этот вирус вызывает из-за мутаций, меняющих структуру его антигенов, а не из-за несовершенства нашего иммунитета.
Тем более странными в свете сказанного кажутся заявления отдельных «специалистов» и общественных деятелей, имеющих «альтернативные» взгляды на укрепление иммунитета и вакцинопрофилактику инфекционных болезней. Чаще всего они ещё и козыряют регалиями и званиями, пытаясь таким образом придать дополнительный вес своей, мягко говоря, спорной точке зрения. Не стоит забывать, что пресловутая «успешность» или профессорское звание, если только оно получено не за исследования иммунитета, никак не характеризуют уровень знаний человека в конкретной области – в частности в области иммунологии. Банально невозможно знать всё – а в медицине невозможно в особенности. Порой мне кажется, что между, скажем, физиком-ядерщиком и физиком-механиком разницы меньше, чем между двумя любыми медицинскими специальностями. Потому что законы физики неизменны во всей Вселенной, а в медицине слово «закон» применяется с большой осторожностью и множеством оговорок.
Если эта тема вас заинтересовала, и вы хотите изучить её глубже, то вот здесь перечислены книги, которые я действительно могу рекомендовать как стоящие внимания. Среди них вы найдёте и издания на тему иммунитета. В частности, Филипп Деттмер очень увлекательно описал его работу в максимально доступной форме.
Ну, и кроме того, к механизмам иммунных реакций мы будем не раз возвращаться в рамках нашего курса, рассматривая защиту от разных видов микроорганизмов и паразитов, а также обсуждая методы диагностики инфекций.
©Алекс Шел, октябрь 2022 г. При копировании и использовании материалов ссылка на источник обязательна