Неспецифический иммунный ответ. Система комплемента

В медицинскую практику термин иммунитет вошел во второй половине 19 века – начальный период активной разработки способов вакцинации для защиты людей от инфекционных заболеваний.
В настоящее время понятно, что иммунные механизмы защиты срабатывают всегда, когда конкретный организм сталкивается с тем или иным чужеродным материалом – будь то бактерии, вирусы, мутационно-измененные собственные клетки тела, тканевые или органные трансплантанты или просто химические соединения, которым приданы иммуногенные свойства. Иначе, иммунитет есть способ защиты организма от всех антигенно чужеродных веществ, как экзогенной, так и эндогенной природы. Биологический смысл подобной защиты- обеспечение биологической целостности организма в течение жизни.
Источниками внешних (экзогенных) веществ и структур являются компоненты пищи, химические примеси воздуха и капельки жидкости, микроорганизмы, попадающие на кожу, в легкие, желудочно-кишечный тракт. Эндогенными (возникающими в самом организме) веществами, нарушающими постоянство внутренней среды и выводимыми с помощью иммунных механизмов, являются аномальные (мутантные) клетки и их компоненты, появившиеся при делении клеток, внутриклеточном синтезе веществ, метаболиты (шлаки) и др.
Тело человека состоит примерно из 1012-1013 генотипически похожих клеток. Если принять, что при делении клеток каждая миллионная клетка подвергается мутации, то в любой момент в организме человека есть примерно 10 млн. аномальных клеток.
Благодаря иммунитету организм опознает, связывает, разрушает и выводит вещества и структуры.
Наиболее характерными признаками иммунной системы, отличающим её от других систем организма, являются следующие:
1.способность дифференцировать все «свое» от всего «чужого»
2.создание памяти от первичного контакта с чужеродным антигенным материалом
И.И. Мечников открыл первую клетку иммунной системы, которую назвал фагоцит или макрофаг. Фагоцитоз был известен ученым с 1862 года по работам Э. Геккеля, но только Мечников первый связал фагоцитоз с защитной функцией иммунной системы. В 1892 г. Мечников выпускает свою ставшую знаменитой книгу «Лекции по патологии воспаления», где он впервые употребил слово «иммунитет» для обозначения системы защиты организма от внешнего инфекционного агента, которая делает его свободным от болезней.
I Иммунный ответМеханизмы врождённого иммунитета не всегда могут сдержать развитие инфекции. В таких случаях запускается адаптивный иммунный ответ. В отличие от врождённого иммунитета, реализуемого клетками, сформировавшимися в процессе онтогенеза независимо от контакта с патогенными микроорганизмами, адаптивный иммунный ответ развивается только в ответ на контакт с конкретным антигеном. При этом в иммунный ответ вовлекаются только клоны лимфоцитов, распознающие проникшие в организм чужеродные антигены. Эта специфическая адресная реакция называется иммунным ответом. Таким образом, иммунный ответ – многоэтапный процесс с обязательным участием лимфоцитов и других клеток иммунной системы.
Основные задачи иммунного ответа:
• распознавание лимфоцитами антигена в нативном состоянии (например, молекулы патогена) и представленного на поверхности модифицированных клеток (например, заражённых вирусами);
• деструкция патогена и повреждённых клеток;
• элиминация (выведение) продуктов деструкции из организма;
• формирование иммунной памяти.
В иммунном ответе выделяют индуктивную и эффекторную (продуктивную) фазы. В индуктивную фазу происходит презентация антигена, т.е. передача информации об антигене от клеток врождённого иммунитета (АПК) инициаторам адаптивного иммунитета – Т-хелперам. Затем выбирается путь дальнейшего развития иммунного ответа по клеточному или гуморальному пути: через индукцию дифференцировки разновидностей Т-хелперов (Th1, Th2, Th17 и других). Наконец, при участии этих Т-хелперов происходит параллельная дифференцировка эффекторных клеток и клеток памяти. Эффекторная фаза иммунного ответа состоит в выполнении своих функций образовавшимися эффекторными клетками. Эта активность реализуется в форме клеточной или гуморальной иммунной защиты. В конце иммунного ответа благодаря включению регуляторных механизмов прогрессирование иммунных реакций замедляется и в результате приводит к их прекращению. Дифференцировавшиеся в процессе иммунного ответа клетки памяти активируются только при повторной встрече с антигеном - при вторичном иммунном ответе. Он протекает в принципе так же, как первичный, но развивается быстрее и реализуется значительно эффективнее первичного (рис. 1).

Рисунок 1 – Основные события иммунного ответа

II Признаки адаптивного иммунного ответаКлоны лимфоцитов. Лимфоциты – единственный тип клеток в организме, при дифференцировке которых происходит обязательная рекомбинация ДНК в генах, кодирующих антигенраспознающие рецепторы. Таким образом, в организме непрерывно генерируется беспрецедентное разнообразие клонов лимфоцитов, несущих антигенраспознающие рецепторы различной специфичности. У Т-лимфоцитов возможно 1018 вариантов специфичностей и 1016 вариантов у B-лимфоцитов.
Связывание антигенраспознающего рецептора лимфоцита со специфичным лигандом необходимо, но ещё недостаточно для инициации иммунного ответа.
Корецепторы. Помимо антигенраспознающего рецептора на мембране лимфоцитов есть инвариантные корецепторы, строго необходимые для развития иммунного ответа.
Для инициации иммунного ответа лимфоциту необходимо получить сигналы по «двум каналам» - от рецепторов для антигена и от корецепторов.
Дополнительные активирующие сигналы через корецепторы поступают в лимфоциты от АПК (ДК, макрофагов, покровного эпителия и др.).
Клетки врождённого иммунитета не имеют большого разнообразия рецепторов. Их рецепторы инвариантны, консервативны, кодируются зародышевыми генами, но именно эти рецепторы первыми избирательно связывают продукты микроорганизмов, отсутствующие у макроорганизмов. Таким образом, именно рецепторы клеток врождённого иммунитета - «носители эволюционной памяти», именно они первыми отличают «чужое» от «своего» и информируют лимфоциты о факте проникновения «чужого» во внутреннюю среду.
При инициации иммунного ответа в лимфоидных органах лимфоцит распознаёт антиген и связывает лиганд и затем под влиянием стимулирующих и костимулирующих сигналов активируется и пролиферирует. В-лимфоцит додифференцируется в лимфоидных органах в плазматические клетки, вырабатывающие специфичные к антигену антитела. Антителообразование происходит в том же лимфоидном органе, либо плазматические клетки мигрируют в костный мозг, где происходят те же самые процессы. Сенсибилизированные Т-лимфоциты, как и В-лимфоциты, мигрируют в очаг поражения в ткани (выходят из крови), где разрушают инфицированные клетки, либо выделяют цитокины, вовлекающие в эту деструкцию макрофаги, эозинофилы, нормальные киллеры и другие лейкоциты.
III Этапы развития иммунного ответаНачалом процесса служит проникновение антигена во внутреннюю среду организма. В природе это происходит при повреждении покровных тканей. При этом в них выделяются определённые вещества (стресс-протеины, белки теплового шока, цитокины кератиноцитов и клеток соединительной ткани) – медиаторы воспаления, которые и «подготавливают почву» для развития адаптивного иммунного ответа (если это потребуется). Попадание антигена без значимого нарушения целостности покровов сразу во внутреннюю среду – событие редкое. Чаще это происходит при искусственных вмешательствах, например, при парентеральном введении веществ.
Врождённые защитные реакции на антигены направлены на предотвращение проникновения антигенов глубже покровных тканей. В первую очередь это сосудистые реакции: расширение сосудов микроциркуляторного русла, повышенный выпот из сосудов в ткани плазмы или сыворотки (соответственно, и всех сывороточных неспецифических противоинфекционных факторов) и экстравазация лейкоцитов (в первую очередь фагоцитов-нейтрофилов). Локальный отёк препятствует проникновению антигенов в системную циркуляцию.
Проникший в покровы патоген поглощают ДК и/или макрофаги при помощи эндоцитоза (чаще всего - фагоцитоза). И те, и другие - профессиональные АПК, однако ДК обладают особыми свойствами и мигрируют из покровов (вместе с антигенами) в региональные лимфоидные органы. ДК процессируют антигены, проходят этапы созревания, экспрессируют на мембране комплексы пептидов с молекулами MHC-II и необходимые корецепторные молекулы, с помощью которых они могут эффективно взаимодействовать с T-лимфоцитами в T-зависимых зонах периферических лимфоидных органов.
Кроме АПК в покровных тканях с антигенами контактируют внутриэпителиальные лимфоциты, среди которых много γδT-клеток, распознающих непептидные антигены без предварительной презентации АПК. Под покровными тканями в плевральной и брюшной полостях присутствуют B1-лимфоциты, продуцирующие антитела с широкой перекрёстной реактивностью, специфичные в основном к распространённым бактериальным антигенам и аутоантигенам.
Не «перехваченный» в барьерных тканях антиген может поступить непосредственно в системную циркуляцию. Тем не менее иммунный ответ на него ещё может развиться, поскольку АПК (ДК и макрофаги) присутствуют и в синусоидах селезёнки, через которую проходит весь объём крови.
В T-зависимых зонах лимфатических узлов ДК презентируют антигены (в комплексе с MHC-II) интенсивно рециркулирующим T-лимфоцитам, как бы проверяя их специфичность. Среди T-клеток рано или поздно встретится лимфоцит, несущий рецептор, специфичный к данному антигену. Если при этом состоятся все необходимые и достаточные корецепторные взаимодействия с АПК, T-лимфоцит получит активационный сигнал, что и станет началом собственно антигенспецифичного иммунного ответа.
Двойное распознавание – процесс распознавания фрагментов пептидного антигена, в комплексе с молекулами МНС-I (CD8+ ЦТЛ) или МНС-II (CD4+ Т-хелпером). При этом Т-лимфоциты инициируют иммунный ответ против чужеродного антигена, презентированного АПК в комплексе со «своими» молекулами MHC-II или против клеток собственного организма, несущих вирусные или изменённые свои пептиды в комплексе с MHC-I.
Распознавший антиген T-лимфоцит начинает пролиферировать и дифференцироваться. В результате образуется клон дифференцированных антигенспецифичных T-лимфоцитов. Такие T-клетки называют лимфоцитами-эффекторами. В процессе дифференцировки T-лимфоциты экспрессируют в надлежащем количестве мембранные молекулы и секретируют цитокины, необходимые для взаимодействия с B-лимфоцитами, лейкоцитами или для атаки клеток-мишеней.
В T-зависимых зонах периферических лимфоидных органов происходит взаимодействие активированных антигеном T-лимфоцитов с активированными антигеном B-лимфоцитами.
Провзаимодействовавшие с антигеном и с T-клетками B-лимфоциты мигрируют в зону лимфоидного фолликула, где пролиферируют и дифференцируются в антителопродуценты - плазматические клетки.
Часть плазматических клеток остается в лимфатическом узле. Секретируемые ими антитела в значительном количестве связываются рецепторами для Fc-фрагмента антител (FcR) ФДК и в таком виде способны в течение продолжительного времени удерживать антиген в лимфоидном фолликуле.
Остальные плазматические клетки уходят из фолликулов лимфоидных органов и мигрируют преимущественно в костный мозг или слизистые оболочки, где и осуществляют массовое образование антител, секретируя их в кровь или во внешнюю среду.
Активированные Т-лимфоциты (ЦТЛ, Th1, Th2) выходят из региональных лимфатических узлов через эфферентные лимфатические сосуды, попадают в системную циркуляцию, а оттуда - в очаг воспаления в месте проникновения или диссеминации патогена.
Если T-лимфоциты в очаге воспаления находят и связывают специфичный антиген, они начинают усиленно синтезировать и секретировать эффекторные молекулы - цитотоксины (ЦТЛ), непосредственно вызывающие гибель клеток-мишеней, или цитокины (Th1 или Th2), вовлекающие в деструкцию антигена другие лейкоциты (макрофаги, эозинофилы, тучные клетки, базофилы, нейтрофилы), в том числе различные популяции лимфоцитов.
В конечной фазе иммунного ответа связанный антиген подвергается фагоцитозу и последующему разрушению гидролитическими ферментами, кислородными радикалами и радикалами оксида азота до мелких метаболитов, выводимых из организма через почки и пищеварительный тракт.
Если санация организма от патогена/антигена завершается успешно - первый результат достигнут. После этого в норме происходит остановка продуктивного иммунного ответа – так называемая супрессия.
Второй результат адаптивной иммунной реакции - формирование иммунной памяти. По современным представлениям лимфоцитами иммунной памяти становится незначительная часть покоящихся лимфоцитов (вероятно, единицы процентов), экспрессирующих особые ингибирующие активацию молекулярные структуры.
На рис. 2 представлена временная динамика иммунного ответа в различных проявлениях и с разными результатами.
Рисунок 2 – Временная динамика проявлений адаптивной иммунной защиты при инфекции
IV Механизмы взаимодействия клеток в ходе иммунного ответаПри развитии иммунного ответа разные клетки взаимодействуют друг с другом. Известны как минимум 2 механизма такого взаимодействия:
• межклеточная адгезия (контактное взаимодействие) – мембранные молекулы одной клетки комплементарно связываются с мембранными молекулами другой клетки, что приводит к образованию межклеточного контакта;
• взаимодействие при помощи медиаторов - клетка секретирует особые растворимые молекулы (медиаторы), рецепторы к которым присутствуют на мембранах других клеток. При связывании рецептора с лигандом реализуется тот или иной биологический эффект. Медиаторы, участвующие в развитии иммунного ответа, называют цитокинами и хемокинами.
К молекулам межклеточной адгезии относят селектины, адрессины, интегрины, молекулы суперсемейства иммуноглобулинов и ряд других.
Селектины – трансмембранные белки на поверхности лимфоцитов, лейкоцитов, тромбоцитов и эндотелиоцитов. Общим для них является наличие во внеклеточной части лектиноподобного домена, способного комплементарно связывать сахара.
Адрессины – муциноподобные молекулы на мембране эндотелиоцитов - лиганды для селектинов. Селектины и адрессины обеспечивают селективную адгезию клеток к стенке сосуда, необходимую для их экстравазации и дальнейшего проникновения в очаг поражения.
Интегрины – гетеродимерные белки, состоящие из крупной а-цепи и меньшей по размеру в-цепи.
LFA-1 (Lymphocyte Function-Associated antigen - антиген, ассоциированный с функцией лимфоцитов) – наиболее важный интегрин для активации любого T-лимфоцита. Антитела к LFA-1 способны блокировать активацию как наивных, так и покоящихся T-клеток. Однако анализ врождённых генетических дефектов молекул адгезии показывает, что другие интегрины (например, CD2) способны компенсировать отсутствие LFA-1.
VLA (Very Late Activation antigens – очень поздние антигены активации). Эти интегрины экспрессируются T-лимфоцитами на 2-4-е сутки после активации и имеют наибольшее функциональное значение для проникновения уже стимулированной T-клетки в очаг воспаления, где ей надлежит организовать элиминацию антигена.
ICAM (InterCellular Adhesion Molecules – молекулы межклеточной адгезии) относят к суперсемейству иммуноглобулинов.
Взаимодействие молекул адгезии LFA-3 и ICAM-1 на клетках эпителия тимуса с комплементарными им молекулами CD2 и LFA-1 на тимоцитах необходимо для удержания последних в тимусе в процессе их дифференцировки.
Наивные T-лимфоциты в T-зависимых зонах периферических лимфоидных органов взаимодействуют с АПК при помощи LFA-1, CD2 и ICAM-3 на T-клетках и ICAM-1, ICAM-2, LFA-1 и LFA-3 на АПК. Этого взаимодействия достаточно для запуска пролиферации распознавших антиген T-лимфоцитов и дифференцировки их в лимфоциты-эффекторы.
V Компоненты системы комплементаКомплемент – система белков, включающая около 20 взаимодействующих компонентов: С1 (комплекс из трех белков), С2, СЗ, …, С9, фактор В, фактор D и ряд регуляторных белков. Все эти компоненты – растворимые белки с мол. массой от 24 000 до 400 000, циркулирующие в крови и тканевой жидкости. Белки комплемента синтезируются в основном в печени и составляют приблизительно 5 % от всей глобулиновой фракции плазмы крови. Большинство из них неактивны до тех пор, пока не будут приведены в действие или в результате иммунного ответа (с участием антител), или непосредственно внедрившимся микроорганизмом (см. ниже). Один из возможных результатов активации комплемента – последовательное объединение так называемых поздних компонентов (С5, С6, С7, С8 и С9) в большой белковый комплекс, вызывающий лизис клеток (литический, или мембраноатакующий, комплекс).
Агрегация поздних компонентов происходит в результате ряда последовательных реакций протеолитической активации с участием ранних компонентов (С1, С2, С3, С4, фактора В и фактора D). Большинство этих ранних компонентов – проферменты, последовательно активируемые путем протеолиза. Когда какой-либо из этих проферментов специфическим образом расщепляется, он становится активным протеолитическим ферментом и расщепляет следующий профермент, и т. д.
Поскольку многие из активированных компонентов прочно связываются с мембранами, большинство этих событий происходит на поверхностях клеток. Центральный компонент этого протеолитического каскада – С3. Его активация путем расщепления представляет собой главную реакцию всей цепи активации комплемента. С3 может быть активирован двумя основными путями – классическим и альтернативным. В обоих случаях С3 расщепляется ферментным комплексом, называемым С3-конвертазой. Два разных пути приводят к образованию разных С3-конвертаз, однако обе они образуются в результате спонтанного объединения двух компонентов комплемента, активированных ранее в цепи протеолитического каскада. С3-конвертаза расщепляет С3 на два фрагмента, больший из которых (С3b) связывается с мембраной клетки-мишени рядом с С3-конвертазой; в результате образуется ферментный комплекс еще больших размеров с измененной специфичностью – С5-конвертаза. Затем С5-конвертаза расщепляет С5 и тем самым инициирует спонтанную сборку литического комплекса из поздних компонентов – от С5 до С9. Поскольку каждый активированный фермент расщепляет много молекул следующего профермента, каскад активации ранних компонентов действует как усилитель: каждая молекула, активированная в начале всей цепи, приводит к образованию множества литических комплексов.
VI Белки системы комплементаКомплемент – система белков сыворотки крови, принимающая участие в регуляции воспалительных процессов, активации фагоцитоза и разрушающем (литическом) действии на клеточные мембраны.
В систему комплемента входит около двух десятков белков, их содержание составляет ~ 5 % от всех белков плазмы крови, т. е. концентрация в крови 3-4 г/л. Белки комплемента обозначают символом «С» и цифрой, соответствующей хронологии их открытия, продукты расщепления компонентов комплемента – маленькой латинской буквой (С3b, C5a и др.). В наибольшем количестве в крови содержится компонент С3, который выполняет центральную роль в активации комплемента.
Для этой системы характерен быстрый, многократно усиленный ответ на антигеннный сигнал за счет каскадного процесса. При этом продукт одной реакции является катализатором последующей.
В отсутствие антигена компоненты комплемента находятся в неактивном состоянии. Существует два пути активации комплемента: без участия антител – альтернативный, и с участием антител – классический. Активацию комплемента по альтернативному пути вызывают компоненты микробных клеток, по классическому – комплексы антиген – антитело. Общим для обоих путей является образование фермента С3-конвертазы, который расщепляет компонент С3 на фрагменты С3а и С3b. Меньший фрагмент С3а принимает участие в развитии воспалительного процесса и хемотаксиса. Больший фрагмент С3b, связываясь с С3-конвертазой, образует С5-ковертазу – фермент, катализирующий расщепление С5 на фрагменты С5а и С5b. Высвобождающийся фрагмент С5b остается фиксированным на мембране и последовательно присоединяет С6, С7, С8 и С9, в результате чего образуется мембраноатакующий комплекс (МАК), который лизирует клетку-мишень за счет формирования трансмембранного канала. По этому каналу внутрь клетки поступают ионы Na+ и вода, клетка набухает и лопается, т. е. лизирует. Среди других эффектов системы комплемента необходимо отметить следующие:
1. Развитие воспалительной реакции и хемотаксис. Компоненты комплемента С3а и С5а могут привлекать к месту воспаления иммунокомпетентные клетки, например, фагоциты, которые атакуют бактерии и пожирают их.
2. Опсонизация (облегчение распознавания) микроорганизмов. Фрагменты С3b связываются с поверхностью бактерий, в результате чего создается метка для узнавания фагоцитами, имеющими рецепторы к этому компоненту комплемента.
Активность системы комплемента контролируется ингибиторами плазмы крови, блокирующими избыточную реакцию.
Фагоцитоз («поедание» клетками) – первая реакция иммунной системы на внедрение чужеродного антигена. Механизм фагоцитоза включает 8 последовательных стадий.
Хемотаксис – направленное перемещение фагоцитирующих клеток к объекту по градиенту концентрации хемотаксических соединений.
Адгезия – распознавание и прикрепление чужеродного объекта к поверхности фагоцита. Процесс адгезии усиливают опсонины (комплемент С3b, антитела), обволакивающие объекты фагоцитоза. В этом случае связывание происходит с участием фагоцитарных рецепторов для С3b комлемента и /или Fc антитела.
Инициация фагоцитоза – в результате активации мембраны фагоцит окружает чужеродный объект выростами плазматической мембраны (псевдоподиями).
Образование фагосомы – объект фагоцитоза, заключенный в оболочку из плазматической мембраны, – фагосома, поглощается фагоцитом. В фагосоме поглощенная чужеродная клетка погибает. Для осуществления киллинга макрофаги секретируют в фагосому реакционноспособные производные кислорода, тогда как нейтрофилы вызывают гибель поглощенной клетки, хелатируя железо и лишая тем самым ее необходимого элемента питания.
Слияние. Для переваривания поглощенного и убитого материала происходит слияние фагосомы с органеллами клетки, лизосомами, содержащими набор гидролитических ферментов, и образование фаголизосомы.
Гибель и разрушение. Активация гидролитических ферментов приводит к перевариванию поглощенного объекта.
Выделение продуктов деградации. Продукты расщепления антигена, представляющие собой антигенные детерминанты, выносятся на поверхность фагоцита в комплексе с белками МНС. Это имеет важное значение для индукции специфического иммунного ответа.
Таким образом, система врожденного иммунитета располагает достаточно эффективными механизмами для распознавания чужеродных антигенов, их обезвреживания и удаления из организма. К недостаткам врожденного иммунитета можно отнести однообразие, неспецифичность и необучаемость (отсутствие памяти) этой системы.
Заключение Иммунная система – это большая биологическая система, имеющая сложную иерархическую структуру организации. Иммунная система обладает всеми характеристиками больших систем. Она многокомпонентна: в её состав входят клетки и молекулы, обладающие разными свойствами, функциями и специфичностью. Все компоненты иммунной системы работают во взаимосвязи, как единое целое, а сама система обладает целостностью и сложностью поведения. Иммунная система - открытая система. Она тесно связана с другими системами организма - гуморальной, нервной, эндокринной и др., которые не только определяют условия её существования, но и участвуют в регуляции её функционирования.
Нормальным состоянием иммунной системы является состояние постоянной её работы с разной степенью активности. Ясно, что полностью спокойного, «нерабочего» состояния иммунной системы быть не может, поскольку в организме все время появляются дефектные и отмирающие собственные клетки. Покровы организма постоянно контактируют с нормальной микрофлорой, часть которой проникает внутрь из-за дефектов кожи и слизистых оболочек.
Список литературы1. Бакулев А.Н., Брусиловский Л.Я., Тимаков В.Д., Шабанов А.Н. Большая медицинская Энциклопедия – М., 1959.
2. Воронин Е.С., Петров А.М., Серых М.М., Девришов Д.А. Иммунология /Под ред. Е.С. Воронина. – М.: Колос-Пресс, 2002. – 408с.
3. Галактионов В.Г. «Иммунология»: Учебник. – М.; Изд-во МГУ, 1998, 488 с.
4. Игнатов П.Е. «Иммунитет и инфекция» – М.: Время, 2002. – 352 с.
5. Кульберг А.Я. /Учебное пособие – Молекулярная иммунология – М.: Высш. Шк., 1985. – 287с.
6. Ройт А., Бростофф Дж., Мейл Д., «Иммунология», пер с англ.- М.: Мир, 2000. – 592 с.