05. Борьба организма с инфекцией. Иммунитет

Борьба организма с инфекцией. Иммунитет

Для патогенов, то есть для бактерий, грибов, вирусов, вызывающих инфекционные заболевания, внутренняя среда животного — это бесплатный источник питания, надёжная защита от неблагоприятных условий среды, способ перемещения и другое. Для организма хозяина такие гости, напротив, крайне нежелательны. Поэтому в ходе эволюции животные развили систему обороны (иммунную систему), а патогены в свою очередь совершенствовали способы преодоления защиты. Своеобразная борьба «пули и брони».

Самый лёгкий путь проникновения патогенов в организм человека — это слизистые оболочки пищеварительного тракта, воздушных путей и других поверхностей обмена, через которые осуществляется питание, газообмен, размножение и прочее, — то есть все те среды, где наш организм непосредственно взаимодействует с окружающей средой.

Здесь и находится первый защитный барьер, задерживающий или убивающий патогены.

Если патоген преодолел защитный барьер и оказался во внутренней среде, организму требуются другие методы борьбы, так как патоген уже не внешний, а внутренний враг, которого нужно ещё «разоблачить» (ведь один из способов преодоления защиты — маскировка).

Следовательно, иммунной системе нужно уметь отличать свои клетки от чужих клеток и частиц. Для этого клетки иммунной системы производят рецепторные молекулы, которые специфически связываются с молекулами чужих клеток или вирусов и активизируют оборонительные механизмы.

Два типа молекулярного узнавания определяют разные способы иммунной обороны: врождённый иммунитет и приобретённый иммунитет.

Врождённый иммунитет включает в себя защитный барьер и молекулярное узнавание на основе небольшого набора белковых рецепторов, которые способны связываться с молекулами, имеющимися у многих патогенов, но отсутствующими у человека. Таким образом обеспечивается неспецифический иммунный ответ на любой из множества патогенов.

Приобретённый иммунитет основывается на молекулярном узнавании с обширным арсеналом рецепторов, каждый из которых может связаться только с определённым участком определённой молекулы определённого патогена, то есть узнавание и иммунный ответ являются очень специфичными. Механизм приобретённого иммунитета включается позже врождённого и развивается медленнее.

Врождённый (неспецифический) иммунитет

Защитный барьер в слизистых оболочках млекопитающих — это слизь, захватывающая патогены и посторонние частицы.

В верхних дыхательных путях мерцательный (реснитчатый) эпителий выметает слизь с захваченными ею материалами вверх, предохраняя инфицирование лёгких.

Слюна, слёзы и другие секретируемые жидкости смывают грибы и бактерии с эпителия. Кроме того, препятствуют размножению бактерий кислые среды желудка (pH=2), потовых и жировых желёз кожи (pH=3–5). Клеточный врождённый иммунитет обеспечивают макрофаги и некоторые лейкоциты крови, которые могут подобно амёбам захватывать и разрушать клетки патогенов (этот процесс называется фагоцитозом).

Другие клетки иммунной системы выделяют антимикробные пептиды (например, фермент лизоцим), которые разрушают плазматические мембраны патогенов. Такой способ защиты организма называют гуморальным врождённым иммунитетом (гумор — жидкость).

Циркулирующие во внутренней среде организма клетки-киллеры обнаруживают заражённые вирусом или раковые клетки по изменению состава мембранных белков и выделяют вещества, которые вызывают гибель заражённых или переродившихся клеток организма.

Заражённые вирусом клетки выделяют белки интерфероны, которые индуцируют в ближайших незаражённых клетках выработку веществ, препятствующих размножению вируса. Интерфероны ограничивают распространение вируса от клетки к клетке и таким образом помогают организму бороться с гриппом или простудой. Некоторые лейкоциты секретируют другие типы интерферонов, которые активируют макрофаги. Благодаря развитию технологии рекомбинантной ДНК, сейчас налажено массовое производство интерферонов для лечения различных вирусных инфекций, таких как гепатит С.

Воспалительный ответ — это цепь событий, запускаемая в организме при его инфицировании или повреждении. Например, если через кожу проникнет заноза, то в области повреждения возникнет опухоль, кожа становится теплей — это локальное воспаление.

Неотъемлемые признаки воспаления — припухлость, покраснение, тепло и боль. В старину это заучивали на латыни: tumor, rubor, calor, dolor.

Патогены могут меняться (мутировать) и приобретать свойства, помогающие им преодолевать иммунную защиту. Вызываемые такими патогенами заболевания трудноизлечимы. Некоторые адаптировавшиеся к иммунной системе человека бактерии, например, Streptococcus pneumoniae, которая вызывает пневмонию (воспаление лёгких) и менингит, строят внешнюю капсулу, которая мешает их распознаванию системой врождённого иммунитета и уничтожению фагоцитозом.

Есть бактерии, которые хорошо распознаются, но избегают разрушения, будучи захваченными клетками хозяина. Например, бактерия Mycobacterium tuberculosis, которая не разрушается внутри клетки хозяина, а продолжает размножаться, спрятавшись в клетке хозяина от иммунной защиты. Эта бактерия вызывает туберкулёз, поражающий лёгкие и другие ткани. От этой болезни в мире каждый год умирает 1 млн человек (Источник).

Приобретённый (адаптивный) иммунитет

Приобретённый иммунитет осуществляется с помощью лимфоцитов B и T. Лимфоциты, как и все другие клетки крови, образуются в костном мозге из стволовых клеток. Некоторые лимфоциты мигрируют в тимус (вилочковую железу) и развиваются там в T-клетки, другие остаются в костном мозге и развиваются там в B-клетки, лимфоциты третьего типа развиваются в крови в клетки-киллеры.

Вещества, вызывающие ответ клеток B или T, называются антигенами. Антигенами обычно являются большие чужеродные молекулы (белки или полисахариды). Некоторые из них выступают над поверхностью бактерии или вируса, другие, например выделяемые бактериями токсины, находятся в крови или во внеклеточной жидкости.

В приобретённом иммунитете узнавание патогена происходит, когда B- или T-клетка связывается с антигеном (бактериальным или вирусным белком) при помощи рецепторов антигена. Каждый рецептор может связываться только с одной молекулой определённого патогена.

Клетки иммунной системы производят миллионы различных рецепторов антигенов, но отдельный лимфоцит производит рецепторы только одного типа (связывающиеся с определённым антигеном). Инфицирование вирусом, бактерией или другим патогеном активирует те B- и T-клетки, антигенные рецепторы которых соответствуют определённым участкам (антигенам) этого патогена. Каждая B- и T-клетка имеет на своей поверхности около 100 000 рецепторов.

Каждый рецептор B-клетки — это белок, имеющий форму буквы Y. Ножка буквы Y связывает рецептор с плазматической мембраной B-клетки, а на концах ветвей буквы Y находятся идентичные распознающие участки, связывающиеся с антигеном. Эти участки имеют уникальную форму, что обеспечивает связь типа «ключ-замок» между рецептором и эпитопом.

Связывание рецептора B-клетки с антигеном активирует клетку и запускает в ней синтез и выделение растворимых, то есть не связанных с мембраной (свободных) рецепторов, называемых антителами, или иммуноглобулинами (Ig). Антитела имеют ту же форму (Y) и свойства, что и рецепторы B-клеток, но у них отсутствует участок ножки, прикрепляющий рецептор к мембране. Антитела обеспечивают защиту от патогенов в жидкостях тела (приобретённый гуморальный иммунитет).

Рецептор T-клетки (Т-лимфоцита) состоит из двух связанных параллельно полипептидных цепей α и β; одним концом такая двойная цепь скрепляется с мембраной клетки, а на свободном конце цепи α и β образуют участок, связывающий антиген по типу «ключ-замок».

Патоген или часть патогена попадает в иммунную клетку животного-хозяина путём заражения, или фагоцитоза, внутри клетки ферменты разбивают антиген на фрагменты. Каждый фрагмент может связаться с молекулой, которая транспортирует связавшийся фрагмент к поверхности клетки. Если клетка, демонстрирующая фрагмент антигена, встречается с подходящей Т-клеткой, это включает иммунный ответ T-клеток (приобретённый клеточный иммунитет).

Характеристики приобретённого иммунитета

1. Огромное разнообразие лимфоцитов и рецепторов позволяет организму обнаруживать антигены и патогены, никогда не встречавшиеся прежде.

2. Приобретённый иммунитет обычно не действует на собственные молекулы и клетки животного.

3. Активация иммунного ответа включает деление специфичных к антигену B- и T-клеток, что многократно увеличивает количество таких клеток.

4. Вторичная встреча с антигеном вызывает более быстрый и сильный ответ, чем первая. Это явление называется иммунной памятью.

Разнообразие рецепторов и толерантность к собственным антигенам возникают при созревании лимфоцитов. Размножение клеток и формирование иммунной памяти происходит позже при встрече и связывании зрелых лимфоцитов со специфичным антигеном.

У каждого человека более 1 млн различных рецепторов антигенов B-клеток и 10 млн рецепторов T-клеток. Но в геноме человека всего лишь около 20 000 генов. Как же в организме синтезируется столько разных рецепторных белков?

Дело в том, что молекулы ДНК, кодирующие эти белки, имеют особую структуру, благодаря которой в процессе дифференцировки лимфоцита происходит их рекомбинация, в основном это удаление некоторых частей ДНК. Фактически это эквивалентно очень высокой частоте мутаций в генах, кодирующих рецепторы антигенов.

Зрелые B- и T-лимфоциты являются исключением из общего утверждения, будто все клетки тела имеют одинаковые молекулы ДНК.

Поскольку функциональные гены рецепторов антигенов образуются случайным перестроением фрагментов ДНК, некоторые незрелые лимфоциты производят рецепторы, специфичные к фрагментам собственных молекул организма. Если эти лимфоциты не удалить или инактивировать, иммунная система будет не способна различать «свой-чужой» и станет атаковать собственные белки, клетки и ткани.

Рецепторы антигенов проверяются на применимость к собственным клеткам при созревании лимфоцитов в костном мозге или в вилочковой железе (тимусе). Если это имеет место, клетка разрушается апоптозом (программированная смерть). Поэтому обычно в организме нет лимфоцитов, способных действовать против собственных компонент.

Успешное связывание рецептора лимфоцита с эпитопом антигена активирует лимфоцит, и он многократно делится (пролиферирует), образуя клон идентичных клеток с рецепторами, специфическими для данного антигена. Обычно это происходит в лимфатических узлах.

Некоторые клетки этого клона становятся действующими (эффекторными), они живут недолго и обеспечивают быстрый иммунный ответ. Другие становятся клетками иммунной памяти, они живут долго и начинают размножаться и превращаться в действующие клетки при новой встрече с тем же антигеном. Клетки с рецепторами, специфичными для других антигенов, в этом процессе не участвуют.

Иммунная память ответственна за длительную защиту организма от повторных инфекционных заболеваний. Это отмечал ещё более 2 тысяч лет назад древнегреческий историк Фукидид. Он заметил, что выздоровевшие от чумы люди могли ухаживать за больными без серьёзной опасности для своего здоровья.

Эффекторные клетки, образующиеся при первичном контакте с антигеном, осуществляют первичный иммунный ответ. Максимальная реакция первичного ответа бывает в период 10–17 дней после контакта. Если этот антиген снова попадёт в организм, то начинается вторичный иммунный ответ, который достигает максимума через 3–7 дней, имеет большую интенсивность и длительность, чем первичный.

Вторичный ответ обеспечивает множество долгоживущих B- и T-клеток, которые составляют иммунную память, способную сохраняться десятилетиями. Клетки иммунной памяти при встрече с антигеном быстро образуют клоны из тысяч специфичных для антигена клеток.

Гуморальный и клеточный приобретённый иммунитет

Гуморальный иммунный ответ происходит в крови и лимфе (гумор — жидкость); его обеспечивают антитела, которые помогают нейтрализовать или уничтожить патогены. В клеточном иммунном ответе участвуют специализированные T-клетки, разрушающие инфицированные клетки организма.

Иммунизация (искусственное введение в организм антигенов), обеспечивает защиту организма от инфекции, используя механизм иммунного ответа и иммунной памяти.

Иммунизация населения проводится с использованием вакцин — препаратов антигенов (инактивированных бактериальных токсинов, разрушенных или ослабленных патогенов или генов микробных белков). Такие препараты вызывают первичный иммунный ответ и образование иммунной памяти: при повторной встрече с патогеном, использованным в вакцине, включается быстрый и интенсивный вторичный иммунный ответ.

Благодаря программам вакцинации в мире была уничтожена оспа. В развитых странах удалось свести практически на нет заболеваемость полиомиелитом, корью. Вместе с тем в последнее время отмечается некоторый рост, связанный с увеличением количества «отказников» от вакцинации (часто родители, будучи сами привитыми, отказываются делать прививки своим детям).

В результате падает процент «коллективного иммунитета». Кроме того, до победы над заболеваниями всё ещё далеко в бедных странах, а миграция незащищённого населения из них также приводит к снижению общего иммунитета.

В период пандемии COVID-19 обострилась полемика о пользе и вреде массовой вакцинации, многие люди боятся побочных эффектов, что обычно связано с недостаточной информированностью о безопасности вакцин и риске заболевания.

Приобретённый иммунитет — это активная защита. Пассивный иммунитет — это использование для борьбы с инфекцией готовых антител. В природе такое происходит в организме плода. Имеющиеся в организме беременной женщины антитела могут проникать через плаценту в эмбрион и обеспечивать иммунную защиту.

Искусственная пассивная иммунизация — это введение антител, выработанных в организме иммунизированного животного в организм неиммунизированного животного. Обычно для этого используют сыворотку, полученную из крови иммунизированных животных. Такой способ борьбы с инфекцией используется в экстренных условиях, например, при укусе ядовитой змеи.

Иммунная защита может распознавать не только патогены, но и клетки другого организма. Например, пересаженный пациенту с ожогами лоскут кожи генетически отличающегося человека выглядит нормально в течение приблизительно недели, а затем отторгается.

Причиной отторжения являются белковые молекулы главного комплекса гистосовместимости (ГКГС[О1]). У каждого человека на поверхностях клеток присутствуют белки ГКГС, которые отличаются практически у любых двух людей (за исключением однояйцевых близнецов). Следовательно, любая пересаженная от одного человека (донора) другому (реципиенту) ткань будет вызывать иммунный ответ у реципиента.

Чтобы уменьшить опасность отторжения трансплантата, врачи используют ткани (или органы) такого донора, набор ГКГС молекул которого минимально отличается от такого набора реципиента. Кроме того, реципиент принимает препараты, подавляющие иммунные ответы. К сожалению, при этом реципиент становится более подвержен инфекциям.

Нарушения в иммунной системе

В иммунном ответе участвуют многие клетки организма. Нарушения их согласованной работы могут иметь опасные последствия.

Это чрезмерная реакция на определённые антигены, которые называют аллергенами. Так, сенная лихорадка возникает в ответ на попадание в организм пыльцы растения. Антигены на поверхности пыльцевых зёрен вызывают производство соответствующих антител. Эти антитела оседают на поверхности тучных клеток в соединительных тканях.

При следующем попадании в организм такой же пыльцы её антигены связываются с антителами на поверхности тучных клеток. При определённых условиях (при большой плотности связанных антител на поверхности) тучная клетка начинает высвобождать гистамин и другие вещества, которые и вызывают симптомы аллергии: чихание, насморк, слёзы, затруднённое дыхание. Уменьшить симптомы аллергии могут антигистаминные препараты, которые блокируют рецепторы гистамина на клеточных поверхностях.

Острая аллергическая реакция может привести к опасному патологическому состоянию, называемому анафилактическим шоком, когда выделяемые иммунными клетками вещества вызывают сужение бронхиол и расширение периферических кровеносных сосудов. Смерть может наступить в связи с затруднением дыхания и уменьшением кровотока. Анафилактический шок у аллергиков могут вызвать пчелиный яд, пенициллин, арахис, ракообразные.

Аутоиммунные заболевания

Иммунная система иногда действует против некоторых собственных молекул. Целью аутоиммунного ответа могут оказаться производящие инсулин клетки поджелудочной железы (возникает диабет) и миелиновая оболочка нейронов (развивается множественный склероз).

Иммунодефицит

Это нарушение, при котором иммунный ответ ослаблен или не возникает вовсе, что приводит к частым и повторным инфекционным заболеваниям, к некоторым видам рака. Причиной иммунологической недостаточности могут быть генетические дефекты как в системе врождённого, так и приобретённого иммунитета. Причиной могут быть и некоторые химические агенты. Например, иммунологическая недостаточность может вызываться искусственно при трансплантации органов.

СПИД — это синдром приобретённого иммунодефицита, инфекционное (вирусное) заболевание.

Эволюционные адаптации патогенов

Патоген может преодолеть иммунную защиту, если он станет невидимым для иммунной системы, то есть изменит ту часть, которая при первичном инфицировании вызвала иммунный ответ и образование клеток иммунной памяти. Тогда повторное инфицирование не включит вторичный иммунный ответ. Несомненно, такой патоген будет обладать селективным преимуществом, поэтому естественный отбор закрепит у таких патогенов повышенную частоту мутаций в генах, кодирующих поверхностные белки.

Пример — частые мутации вируса гриппа

Из-за этого приходится постоянно разрабатывать и использовать новые вакцины от гриппа.

Кроме того, вирус гриппа человека образует новые штаммы, обмениваясь с генами вируса гриппа, инфицирующего домашних животных (свиней, кур). Для такого нового штамма вируса ни у кого из людей нет клеток иммунной памяти — вирус становится смертельно опасным.

Некоторые вирусы могут переходить в организме животного в неактивное состояние и сохраняться внутри его клеток долгое время, не вызывая иммунной реакции. Это неактивное (латентное) состояние сохраняется до тех пор, пока не возникнут благоприятные условия для размножения вируса или условия, неблагоприятные для здоровья хозяина, например, заражение хозяина другим патогеном.

Пример — вирус герпеса

Он сохраняется в сенсорных нейронах, где мало молекул ГКГС, которые необходимы для демонстрации антигена лимфоцитам и последующего запуска иммунного ответа. Простуда, стресс, менструация и другие внешние стимулы могут активировать «спрятавшиеся» от иммунной системы вирусы, которые начинают быстро размножаться и заражать соседние клетки эпителия, где «спрятаться» вирус не может.

Итак, у нашего организма есть много инструментов для борьбы с внешними «вредителями». Но враги нашего организма тоже не дремлют: они постоянно совершенствуют методы проникновения, преодоления средств защиты, способы маскировки и так далее. Поэтому наша задача — помогать организму в формировании иммунитета.

Такую помощь может оказать своевременное вакцинирование (своеобразная тренировка для защитных клеток организма), а также ведение здорового образа жизни.

То есть мы должны не ослаблять организм и всеми силами помогать ему.

К эффективным методам поддержки своего иммунитета относятся:

• Отказ от вредных привычек (курение, употребление алкоголя и наркотиков).

• Регулярная физическая активность, закаливание организма.

• Употребление в пищу достаточного количества овощей и фруктов (пять порций общим весом не менее 500 г), которые являются ценными источниками клетчатки, витаминов и минералов (например, фолиевой кислоты, витаминов А и С, калия). Их наличие в рационе снижает риск развития неинфекционных заболеваний (избыточный вес / ожирение, сердечно-сосудистые заболевания (инсульт, инфаркт), диабет 2-го типа, рак).

• Употребление молочных и кисломолочных продуктов (как минимум три порции в день) позволяет обеспечить на 80 % суточную потребность нашего организма в кальции, который нужен для правильного роста, развития скелета, крепкости костей и зубов; также он необходим для работы нервной системы, так как участвует в проводимости нервных импульсов; в работе сердечно-сосудистой системы, так как регулирует работу сердечной мышцы, и помимо этого выполняет много других полезных функций. Кстати, польза молочных продуктов не ограничивается кальцием, они также являются источником полноценного молочного белка.

• Употребление мяса и рыбы — ценных источников белка, главного строительного материала нашего организма. При этом лучше, чтобы в рационе были разные виды мяса, но предпочтение стоит отдавать нежирным: мясо птицы, кролика, говядины, ягнёнка.

Мясо и рыбу необходимо подвергать качественной и длительной тепловой обработке, чтобы уничтожить микробы и бактерии, которые в них могли быть. Но вид обработки может повлиять на полезность продукта для нашего организма. Мясо и рыбу лучше запекать, готовить на пару или отваривать.

Воспаление

События, предшествующие и вызывающие местный воспалительный ответ, — это выделение клетками иммунной системы (макрофагами и другими) сигнальных молекул, которые активируют белки системы комплемента, запускают производство антимикробных пептидов, привлекают клетки-фагоциты (лейкоциты) к месту нарушения защитного барьера. Одна из сигнальных молекул, гистамин, вызывает расширение ближайших кровеносных сосудов и увеличение проницаемости их стенок. В результате возрастает местный кровоток, что проявляется в местном увеличении температуры и покраснении, а также в появлении припухлости.

При более сильном повреждении тканей или при инфицировании воспалительный ответ становится не местным, а системным (распространяющимся на весь организм). Выделяющиеся в этом случае сигнальные молекулы не просто привлекают лейкоциты, но и увеличивают их поступление из костного мозга. Увеличение концентрации лейкоцитов в крови является признаком системного воспалительного процесса, другой признак — увеличение температуры тела, иногда очень большое (лихорадка). Повышение температуры тела при воспалении — это эволюционная адаптация, повышающая эффективность защиты от многих патогенов. Повышенная температура увеличивает фагоцитарную активность иммунных клеток, скорость восстановления тканей и затрудняет процесс размножения бактерий.

Некоторые бактериальные инфекции могут вызывать столь резкий системный воспалительный ответ, что он становится опасным для организма. Это так называемый септический шок, который характеризуется сильной лихорадкой, снижением давления крови и капиллярного кровотока и может быть фатальным.

Список литературы

1. Пасечник В. В., Каменский А. А., Швецов Г. Г. Биология. 8 кл.: учебник (УМК «Линия жизни») / под ред. В. В. Пасечника. — М.: Изд-во «Просвещение», 2021.

2. Сонин Н. И., Сапин М. Р. Биология: Человек. 8 кл.: учебник. — М.: ДРОФА, 2018.

3. Драгомилов А. Г., Маш Р. Д. Биология. 8 кл.: учебник. — М.: ВЕНТАНА-ГРАФ, 2019.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал sbio.info

2. Интернет-портал claw.ru

3. Интернет-портал xumuk.ruhttp

Домашнее задание

1. Что такое иммунитет?

2. Что содержит готовые антитела? Что содержит ослабленные тела микробов, вирусов?

3. Как называется иммунитет, при котором уничтожение чужеродных тел осуществляется клетками?

Изображения используются согласно лицензии Shutterstock / FOTODOM
Иллюстратор Халитова В. М.