Иммунология. Основы медицинской иммунологии. Учебное пособие Рекомендовано Ученым советом Военномедицинской академии имени С. М. Кирова для курсантов и студентов
 Скачать 7.86 Mb.
|
|
Глава 5. ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ ПРОТИВОИНФЕКЦИОННОГО ИММУНИТЕТА Задача иммунитета – распознавание агентов (живых тел, веществ), несущих признаки генетической чужеродности, и в их элиминации из внутренней среды организма. Принципы защиты организма, как от микробов, так и от модифицированных клеток, в том числе опухолевых, едины. Защита организма от инфекции складывается из последовательного включения в борьбу с проникшим возбудителем 3 различных эшелона этой защиты, составляющих единый функциональный комплекс: 1) факторов естественной резистентности; 2) раннего индуцибельного ответа (первые два пункта относятся к неспецифическим доиммунным механизмам резистентности); 3) адаптивного или приобретенного иммунного ответа. Факторы естественной резистентности включаются в защиту мгновенно после преодоления возбудителем кожных или слизистых оболочек и его внедрения во внутреннюю среду организма. Их действие продолжается в течение всего периода борьбы организма с инфекцией, но наиболее эффективно они работают в течение первых 4 часов после внедрения микроба, когда они являются практически единственными защитниками организма. На пути, проникшего в организм микроба, стоят две мощные преграды: клеточные и гуморальные факторы естественной резистентности. К первым относятся, тканевые макрофаги, нейтрофилы и естественные киллеры; ко вторым – естественные IgG-антитела и комплемент. Практически любой микроб, проникший в макроорганизм, обладает способностью индуцировать альтернативный путь активации комплемента, в результате чего образуются фрагменты С3а, С5а, С3b и др. С3а и С5а являются провоспалительными медиаторами с хемотаксической активностью. Они индуцируют приток нейтрофилов в воспалительный очаг. C3b и 229 естественные IgG-антитела взаимодействуют с микробом и опсонизируют его, т.е. подготавливают микроб к поглощению фагоцитами. Первыми клетками, с которыми взаимодействуют проникшие во внутреннюю среду организма микробы, являются тканевые макрофаги. Они поглощают опсонизированные микробы, убивают их, активируют и синтезируют Цитокины. Опсонизированные микробы значительно интенсивнее захватываются и убиваются фагоцитарными клетками, чем неопсонизированные. Этот тип элиминации возбудителя эффективен только в отношении внеклеточных условно-патогенных бактерий со слабой вирулентностью. Затем, как правило, вступает второй, более мощный эшелон защиты организма от инфекции – ранний индуцибельный ответ, действие которого длится в течение 96 часов, пока не начнут работать факторы специфического иммунитета. В нем также можно выделить клеточные и гуморальные факторы. К первым относятся активированные макрофаги, нейтрофилы и естественные киллеры; ко вторым - цитокины и белки острой фазы (БОФ), продуцируемые клетками печени под влиянием этих цитокинов. Тканевые макрофаги, активированные бактериальными антигенами, образующимися в процессе фагоцитоза возбудителя, продуцируют ряд цитокинов (монокинов) – TNF , ILIL-1 , 8, и 12, IFN , GM-CSF и др., которые оказывают активирующее воздействие на новые популяции клеток, мигрирующих в очаг воспаления, - моноциты, нейтрофилы, естественные киллеры. Эти клеточные популяции также начинают продуцировать цитокины, вовлекая в процесс защиты все новые и новые клетки. Кроме того, в процессе расщепления микроба образуются микробные пептиды, которые макрофаг в комплексе с антигенами МНС представляет Т-лимфоцитам. Это важнейший этап, без которого невозможно развитие специфического иммунного ответа. Важнейшим цитокином, продуцируемым активированными макрофагами в течение раннего индуцибельного ответа, является IL-12. От этого цитокина 230 зависит характер иммунного ответа: преимущественное развитие клеточного или гуморального иммунитета. IL-12 активирует моноциты/макрофаги, нейтрофилы и NK-клетки. Активированные таким путем фагоциты более интенсивно поглощают микробы, быстрее убивают их и переваривают. Активированные NK-клетки приобретают большую цитотоксическую активность в отношении клеток, инфицированных возбудителем. IL-1, IL-6, TNF, IL-8, GM-CSF и другие цитокины, продуцируемые макрофагами в течение раннего индуцибельного ответа, являются провоспалительными цитокинами. Их действие полностью определяет развитие воспалительного процесса, развивающегося при внедрении микроба в макроорганизм: 1. Повышение температуры тела при инфекционных процессах зависит от действия на ЦНС IL-1 и IL-6. 2. Синтез БОФ зависит от действия на клетки печени IL-1 и IL-6. БОФ обладают выраженной способностью опсонизировать внедрившихся в организм микробов. 3. Развитие классических признаков воспаления (опухоль, покраснение, боль, жар) полностью зависит от TNF . 4. Лейкоцитоз периферической крови как характерная черта воспаления зависит от GM-CSF, G-CSF, M-CSF, усиливающих пролиферацию и дифференцировку клеток – предшественников костного мозга и ускоряющих их созревание до зрелых гранулоцитов с 7 до 15 дней. 5. Миграция нейтрофилов и моноцитов в очаг воспаления зависит от - хемокинов (IL-8) и -хемокинов, а также GM-CSF, являющихся мощными индукторами движения фагоцитов. Главными защитниками организма от внеклеточных бактерий на стадии раннего индуцибельного ответа являются нейтрофилы. Они характеризуются наличием двух важных функций. Во-первых, они поглощают и убивают бактерии. Этот процесс резко усиливается при опсонизации возбудителей: 231 или С3b+IgG, или БОФ, и при активации нейтрофилов цитокинами, продуцируемыми макрофагами и NK-клетками. Во-вторых, они сами являются мощными продуцентами цитокинов IL-1 , IL-8, IL-12, TNF , GM- CSF, IFNα, тромбоцитактивирующего фактора, фактора роста фибробластов. Главными защитниками организма от внутриклеточных микробов на стадии раннего индуцибельного ответа являются NK-клетки. Они характеризуются наличием двух важных функций. Во-первых, они обладают цитотоксической активностью непосредственно в отношении некоторых возбудителей, опухолевых клеток и клеток, инфицированных внутриклеточными микробами. Другой важной функцией NK-клеток является участие в общем каскаде синтеза цитокинов ( - и -IFN, GM-CSF, IL-3, IL-8), активирующих новых участников иммунной защиты. Факторы естественной резистентности и раннего индуцибельного ответа являются неспецифическими и осуществляют защиту организма в течение первых 96 часов после инфицирования. В эти сроки начинает развиваться адаптивный иммунный ответ, т.е. собственно специфический иммунитет, представляющий заключительный и наиболее мощный эшелон защиты организма. Он включает развитие протективного иммунитета и иммунологической памяти. Протективный иммунитет формируется с развитием гуморального и клеточного иммунного ответа. Сущность гуморального ответа заключается в образовании популяции В-лимфоцитов, синтезирующих специфические антитела класса IgG, IgА, IgМ, IgЕ. Клеточный ответ – это образование популяции антигенспецифических Т- лимфоцитов: Th1- и Th2-клеток, цитотоксических Т-лимфоцитов и Т- эффекторов гиперчувствительности замедленного типа, обладающих способностью специфически распознавать антиген, вызвавший их появление, взаимодействовать с ним и выполнять при этом различные эффекторные функции. Иммунологическая память обусловлена образованием популяций Т- и В-клеток памяти. Их характерной особенностью является быстрая 232 пролиферация под влиянием специфического антигена с образованием большой популяции клеток-эффекторов и синтезом соответственно большого количества антител и цитокинов. Иммунологическая память может сохраняться годами, а иногда всю жизнь (оспа, корь и другие инфекции). Она лежит в основе поствакцинального иммунитета и представляет собой высокоэффективную защиту организма от реинфекции, т.е. от повторного заражения тем же возбудителем. Адаптивный иммунный ответ развивается при преодолении микробом факторов естественной резистентности и накоплении бактериальных антигенов в количестве, достаточном для инициации иммунного ответа. В любом иммунном ответе можно выделить 4 фазы: распознавание, активацию, пролиферацию и дифференцировку. Как при клеточном, так и при гуморальном иммунном ответе распознавание представляет собой сложное межклеточное взаимодействие антигенпредставляющих клеток (моноцитов/макрофагов, дендритных клеток, В-лимфоцитов) и Т-хелперов CD4. Антигенпредставляющие клетки захватывают микробный антиген, с помощью своей ферментной системы расщепляют его на пептидные фрагменты и в комплексе молекулами антигенов гистосовместимости класса (МНС ) представляют его на своей поверхности. Т-хелпер с помощью своего антигенраспознающего рецептора, состоящего из -цепей или - цепей, должен распознать микробные пептиды, лежащие в желобке МНС антигенпредставляющей клетки. CD4-рецептор Т-хелпера, расположенный рядом с антигенраспознающим рецептором, должен распознать антигенные детерминанты МНС антигенпредставляющей клетки. Это так называемое двойное распознавание, принцип которого заключается в обеспечении специфического взаимодействия в иммунном ответе только аутологичных клеток. Следствием этого является образование комплекса из Т-хелпера и антигенпредставляющей клетки, который стабилизируется еще рядом связей между костимулирующими или кофакторными молекулами, 233 взаимодействующих по принципу рецептор-лиганд. К наиболее существенным относятся связи между CD40 и CD80/86 на антигенпредставляющих клетках и CD154 и CD28 на Т-хелперах. Следствием этого взаимодействия являются активация Т-хелперов и пролиферация (рис. 5.1.). Рис. 5.1. Дифференцировка Th и цитокины, продуцируемые ими на различных стадиях (по Д. Мейл, Дж. Бростофф, 2007) Важнейшим событием в начале иммунного ответа является определение пути, по которому пойдет развитие Т-хелперов. Это развитие зависит от действия тех цитокинов, которые находятся на первых этапах иммунного ответа. Под влиянием IL-12, продуцируемого макрофагами, и -IFN, продуцируемого NK-лимфоцитами, Т-клетки CD4 дифференцируются в Th1- хелперы, ответственные за развитие клеточного иммунного ответа. Главным 234 цитокином, продуцируемым этими клетками, является -IFN. Под влиянием IL-4, продуцируемого, вероятно, тучными клетками, базофилами или эозинофилами, Т-клетки CD4 дифференцируются в Th2-хелперы, ответственные за развитие гуморального иммунного ответа. Главными цитокинами, продуцируемыми этими клетками, являются IL-4, IL-5, IL-6 и IL- 10. При развитии гуморального иммунного ответа поверхностный иммуноглобулиновый рецептор В-лимфоцитов распознает растворимый антиген, клетка поглощает его, расщепляет до низкомолекулярных пептидов и представляет их в комплексе с МНС Th-хелперам. Последние взаимодействуют с микробными пептидами с помощью описанного выше двойного распознавания. Это взаимодействие активирует как В-клетки, так и Т-клетки. На Т-клетках эта активация проявляется экспрессией нового антигенного рецептора CD154, для которого на В-клетках имеется специфический лиганд CD40. Взаимодействие CD154+CD40 служит мощным индуктором для пролиферации В-лимфоцитов, которая существенно усиливается под влиянием IL-2. Цитокины IL-4, IL-5, IL-6, IL-10, продуцируемые Th2-хелперами, играют решающую роль в переключении иммуноглобулиновых генов и синтеза основных классов специфических иммуноглобулинов – антител. Они нужны для продукции IgМ-, IgА-, IgЕ- антител и слабоопсонизирующих субклассов IgG-антител (IgG2 и IgG4). Для образования сильно опсонизирующих субклассов IgG-антител (IgG1 и IgG3) нужны цитокины, продуцируемые Th1-хелперами. Антитела играют важную роль в защите организма от инфекции. Это проявляется ингибицией взаимодействия микроорганизмов с клетками эпителия дыхательных путей, урогенитального и желудочно-кишечного трактов (секреторный IgА); нейтрализация бактериальных, вирусных и других токсинов и антигенов (IgG); опсонизация микроорганизмов (IgG и в меньшей степени IgА); лизисом под влиянием совместного действия 235 комплемента и IgМ-антител микроорганизмов, преимущественно грамотрицательных. Гуморальный иммунный ответ играет ведущую роль в защите организма от внеклеточных бактерий, при этом гибель возбудителя, в конечном счете, происходит в нейтрофилах, а антитела совместно с комплементом резко усиливают данный процесс. Но антитела играют важную роль и при вирусных инфекциях, особенно на ранних этапах развития последних, препятствуя проникновению вируса в чувствительную клетку. При формировании популяции цитотоксических лимфоцитов (CTL) антигенпрезентирующей клеткой чаще всего является дендритная клетка, которая представляет микробные пептиды в комплексе с антигенными детерминантами МНС . Антигенраспознающий рецептор Т-лимфоцита CD8 + должен распознать этот пептид, а CD8 + -молекула, расположенная рядом с этим рецептором, - детерминанты МНС (двойное распознавание). Образующийся комплекс стабилизируется взаимодействием нескольких костимулирующих молекул. Из них наибольшее значение имеет распознавание CD28 молекулой Т-лимфоцита CD80-рецептора дендритной клетки. В результате этого взаимодействия происходит активация Т- лимфоцитов, появление на их поверхности рецептора для IL-2 (CD25) и синтез в умеренных количествах IL-2.Под влиянием этого цитокина происходят пролиферация CTL и существенное увеличение их числа в организме. Однако собственного IL-2, как правило, бывает недостаточно для интенсивной пролиферации CTL и главным поставщиком IL-2 являются активированные (возможно, на той же дендритной клетке) Th1-клетки. Главной функцией CTL в противоинфекционной защите является уничтожение клеток, инфицированных внутриклеточными возбудителями (вирусами, микоплазмами, хламидиями, микобактериями). На таких клетках экспрессируются вирусные и бактериальные пептиды в комплексе с антигенными детерминантами МНС . С помощью своего 236 антигенраспознающего рецептора и CD8-молекулы CTL распознает инфицированную вирусом клетку, образует с ней комплекс и активируется. При этом происходит выброс гранул, содержащих цитотоксические белки: перфорин, грамзин и др. Перфорин обладает способностью встраиваться в мембрану пораженной клетки и образовывать там поры. С помощью эндоцитоза клетка старается их ликвидировать и при этом захватывает грамзин. Последний обладает способностью индуцировать апоптоз и гибель пораженной клетки. Th1-хелперы, помимо цитокинов, «вооружающих» другие клетки, также принимают прямое участие в уничтожении возбудителей. Ряд внутриклеточных бактерий при проникновении в макрофаги могут долго персистировать там и даже размножаться. На поверхности таких клеток могут экспрессироваться бактериальные пептиды в комплексе с антигенами МНС . Th1-хелпер CD4 + распознает этот комплекс и взаимодействует с ним. Следствием этого являются активация макрофага и гибель внутриклеточных микроорганизмов. Таким образом, существует два пути борьбы с внутриклеточными возбудителями: 1) уничтожение инфицированных клеток CD8 + CTL, следствием чего является прекращение развития возбудителя и, следовательно, его распространения в организме; 2) активация инфицированных макрофагов Th1-клетками CD4 + , следствием чего является гибель возбудителя в фаголизосоме. Итак, последовательные этапы формирования воспалительной реакции известны достаточно хорошо, однако, до последнего времени были неизвестны клеточные рецепторы, передающие активационные сигналы после взаимодействия с различными бактериальными патогенами или компонентами их клеточных стенок. Лишь в последние годы выяснилось, что эта функция связана с толл-белками, которые экспрессированы на мембране лейкоцитов и других клеток различных видов животных и человека. 237 Толл-белки являются эволюционно древними молекулами и впервые были описаны у дрозофилы, где они также выполняют примитивные защитные функции. Среди около десяти известных толл-белков существуют явные различия в узнавании бактериальных производных. Белок толл-4 обеспечивает проведение сигнала при встрече лейкоцитов с грамотрицательными бактериями и основным компонентом их клеточных стенок – ЛПС. Белок толл-2 связывает продукты грамположительных микроорганизмов, пептидогликаны, а также производные дрожжевых клеток, например зимозан. Оба белка толл экспрессируются на мембранах макрофагов и обеспечивают активацию синтеза провоспалительных цитокинов IL-1, TNF- и других. Таким образом, уже на уровне макрофага может происходить распознавание различных типов микроорганизмов. Однако в обоих случаях вслед за этим запускается одна и та же программа передачи внутриклеточного сигнала активации. Важно, что этот путь полностью повторяется при передаче сигнала от рецептора IL-1, более того, внутриклеточные части трансмембранных белков толл-белков имеют гомологию с рецептором IL-1. Это позволяет предположить, что семейство молекул IL-1 использует тот же путь активации клеток, как и при первичном распознавании патогенов толл-белками, это нужно для усиления сигнала к развитию защитной воспалительной реакции. ЛПС, пептидогликаны, зимозан и другие компоненты клеточных стенок различных микроорганизмов запускают синтез IL-1 и ряда других провоспалительных цитокинов в макрофагах. В свою очередь IL-1 способен вызвать продукцию тех же провоспалительных цитокинов и самого себя. Анализ строения толл-белков и рецепторного комплекса IL-1 подтверждает, что это не случайно. IL-1 практически повторяет все биологические эффекты ЛПС как на местном, так и на системном уровне, он служит не просто медиатором действия ЛПС в организме, но является амплификатором развития защитных реакций, 238 используя гомологичные рецепторы и полностью идентичные внутриклеточные сигнальные системы. Вопросы для самоконтроля 1. Назовите особенности развития этапов иммунного ответа. 2. Какова роль цитокинов в развитии иммунного ответа? 3. Какова роль острой фазы в развитии иммунного ответа? 5.1. Иммунитет к бактериям Различают две основные формы специфического иммунного ответа: гуморальный и клеточный. Гуморальный иммунный ответ подразумевает продукцию специфических антител в ответ на воздействие чужеродного антигена. Здесь основная роль принадлежит В-лимфоцитам, дифференцирующимся в плазмоциты. Клеточно-опосредованный иммунный ответ подразумевает накопление в организме клона Т-лимфоцитов, несущих специфические для данного антигена антигенраспознающие рецепторы, ответственные за клеточные реакции иммунного воспаления – гиперчувствительности замедленного типа, в которых кроме Т-лимфоцитов участвуют макрофаги (рис. 5.3). Особой формой специфического иммунного ответа на контакт иммунной системы с чужеродным антигеном является формирование иммунологической памяти, которая проявляется способностью организма отвечать на повторную встречу с тем же антигеном вторичным иммунным ответом более быстрым и более сильным. Это связано с накоплением клона долгоживущих клеток памяти, способных распознать антиген и ответить ускоренно и усиленно на повторный контакт с ним. Альтернативной формой специфического иммунного ответа является формирование иммунологической толерантности, т.е. неотвечаемости на собственные антигены организма (аутоантигены). Такая толерантность приобретается организмом в период внутриутробного развития. 239 Рис.5.3. Основные механизмы врожденного и приобретенного иммунного ответа, направленные на элиминацию патогена из организма (по A.K. Abbas, 2009) Решающий момент специфического иммунного ответа – это ответ CD4 + - Т-лимфоцитов хелперов на распознавание антигена. На этом этапе определяется форма иммунного ответа: с преобладанием антител (гуморального) или с преобладанием клеточных реакций (гиперчувствительности замедленного типа). Направление дифференцировки CD4 + лимфоцитов, от которого зависит форма специфического иммунного ответа, контролируется цитокинами, образующимися в ходе воспалительной реакции. Так, в присутствии IL-12 и IFN CD4 + -лимфоциты дифференцируются в воспалительные Th1-клетки, начинают продуцировать и секретировать IL-2, IFN , TNF , и определяют клеточный характер специфического иммунного ответа. 240 В присутствии IL-4 CD4 + -лимфоциты дифференцируются в Th2, которые начинают продуцировать и секретировать IL-4, IL-5, IL-6, TNF и запускают гуморальный иммунный ответ, то есть синтез специфических антител – иммуноглобулинов. Возможный источник IL-4 – тучные клетки и базофилы, которые активируются при контакте с паразитами и аллергенами. Воспалительные Th1-лимфоциты нужны для борьбы с внутриклеточными паразитами, а Th2 – для эффективной защиты против внеклеточных паразитов. Между этими двумя субпопуляциями CD4 + -клеток отношения антогонистические: IL-4 ингибирует генерацию воспалительных Th1 и продукцию IFN , а IFN ингибирует пролиферацию Th2, продукцию IL-4 и его активность (рис.5.4). Рис.5.4. Варианты дифференцировки «наивных» Т-лимфоцитов в Th1 и Th2, опосредующих развитие клеточного и гуморального иммунного ответов (по Д. Мейл, Дж. Бростофф, 2007) Таким образом, под иммунитетом к инфекциям следует понимать следствие взаимодействия макроорганизма (человека) с постоянно изменяющимися (мутирующими) микроорганизмами. Защитные механизмы 241 человека вынуждают микроорганизмы постоянно изменяться, чтобы противостоять действию этих механизмов. Условно все микроорганизмы можно разделить на внеклеточные и внутриклеточные (рис. 5.5). Рис. 5.5. Классификация микроорганизмов по способу паразитирования и защита от них. Главными эффекторными клетками в борьбе с внеклеточными возбудителями являются нейтрофилы. Их поглотительная и бактерицидная функция резко усиливаются в присутствии комплемента и IgG, а также при их активации TNF , IL-1 , IL-6 и другими цитокинами, продуцируемыми макрофагами, NK-клетками и Т-лимфоцитами. Главными эффекторными клетками в борьбе с внутриклеточными возбудителями являются макрофаги, NK-клетки и Т-лимфоциты. Их микробицидные и цитотоксические свойства 242 резко повышаются под влиянием - и -интерферонов, TNF , IL-1, IL-2, IL- 12 и других цитокинов, продуцируемых после активации антигенами возбудителя этих же 3 популяций клеток. Первой клеткой, с которой встречается возбудитель, преодолевший слизистые или кожные покровы, является тканевой макрофаг. От него зависит развитие раннего индуцибельного ответа, осуществляющего защиту организма от микроба в первые 96 часов инфекционного процесса и заключающегося в синтезе ряда указанных выше монокинов, а также иммунного адаптивного ответа, осуществляющего защиту организма от инфекции на поздних стадиях инфекционного процесса и заключающегося в развитии гуморального (синтез специфических антител) и клеточного (образование популяции антигенспецифических Т-лимфоцитов) иммунного ответа (рис.5.6). Рис.5.6. Принцип антиинфекционной защиты Макрофаг, захвативший микроб, активируется и синтезирует ряд монокинов, которые повышают функциональную активность новых моноцитов/макрофагов, нейтрофилов, NK-клеток. Этот макрофаг, расщепив с 243 помощью своей ферментной системы микроб, представляет его антигенные детерминанты Т- и В-лимфоцитам, инициируя тем самым развитие гуморального и клеточного ответа и продуцируя некоторые цитокины, необходимые для его развития. У тканевых макрофагов функция и экспрессия поверхностных рецепторов подавлены. Активация макрофагов происходит в несколько стадий. Макрофаги, выделенные из очагов воспаления, индуцированного локальной активацией комплемента или введением неспецифических раздражителей, например тиогликолята, заметно увеличены в размерах, имеют повышенное содержание кислых гидролаз, отличаются усиленной секрецией нейтральных протеиназ и повышенной фагоцитарной активностью. Активированный макрофаг способен секретировать свыше 60 различных факторов. Схема активации макрофагов может быть представлена следующим образом. IFN , выделяемый стимулированными лимфокинпродуцирующими Т-клетками, воздействует на макрофаг, что сопровождается значительными изменениями клеточной поверхности (так у макрофагов мыши резко увеличивается количество антигенов МНС класса , Fc-рецепторов для IgG2b и участков связывания опухолевых клеток). Субпопуляция лимфоцитов, CD4, примированная конкретным антигеном будет узнавать комбинацию из антигена и молекул МНС класса на поверхности макрофага, и связываться с ней, а затем продуцировать разнообразные растворимые лимфокины, в первую очередь IFN , которые активируют макрофаги, запуская поврежденные ранее микробицидные механизмы макрофагов, вызывая гибель внутриклеточных микроорганизмов (рис. 5.7). |