Екатерина Умнякова
Как работает иммунитет
Как работают антимикробные пептиды? Они способны эффективно встраиваться в оболочки клеток (не только бактерий) и даже проникать внутрь. Делают это антимикробные пептиды благодаря своим небольшим размерам, положительному заряду и способности избирательно взаимодействовать с гидрофобными веществами – липидами (от др.-греч. υδωρ – «вода» и φοβος – «боязнь, страх»). Липиды – это строительный материал цитоплазматической мембраны клеток.
Механизм действия антимикробных пептидов на бактерии
Встраиваясь в мембрану бактериальной клетки, антимикробные пептиды создают в ней поры и отверстия, которые нарушают целостность оболочки клетки. Антимикробные пептиды действуют как своеобразные «молекулярные пули» – пробивают мембрану бактерии так, что ее содержимое вытекает, а сама клетка погибает. Помимо этого, существуют и другие механизмы антибиотического действия антимикробных пептидов. Например, антимикробный пептид пчелы апидецин (от латинского названия медоносной пчелы Apis melliphera) может «мешать» синтезу белка – одному из самых жизненно важных процессов, протекающих в том числе и внутри потенциально опасной бактериальной клетки. В результате дефицита белка бактерия погибает.
Антибактериальные пептиды могут поражать не только бактериальные клетки. Они действуют на некоторые вирусы с липидной оболочкой, на микроскопические грибки, на простейшие, на паразитов и на опухолевые клетки.
Антимикробные пептиды способны помогать другим компонентам иммунитета осуществлять свои функции. В частности, некоторые пептиды могут служить сигнальными молекулами для иммунных клеток, таким образом усиливая иммунный ответ.
Ученые продолжают активно изучать свойства антимикробных пептидов для создания на их основе антибиотиков нового поколения. Помимо токсического действия на патогены, эти лекарства могли бы стимулировать иммунный ответ организма, лечить злокачественные опухоли.
Сигнальные молекулы
Система иммунитета представлена множеством различных органов и клеток. Для того, чтобы иммунный ответ осуществлялся эффективно и все компоненты системы работали слаженно, необходимо регулировать работу иммунитета с помощью сигналов. В иммунной системе эту функцию выполняют небольшие сигнальные белки – цитокины. Цитокины – информационные белковые молекулы, которые продуцируются различными иммунными клетками – лимфоцитами, дендритными клетками, макрофагами, нейтрофилами, а также эндотелиальными, эпителиальными и другими типами клеток организма. Это своего рода сигнальный язык, с помощью которого компоненты иммунной системы связываются друг с другом.
Сигнальные молекулы цитокины регулируют межклеточные и межсистемные взаимодействия, определяют активность, стимуляцию или подавление роста, выживаемость клеток, а также процесс запрограммированной клеточной гибели – апоптоз. Цитокины обеспечивают согласованность действий иммунной, эндокринной и нервной систем в норме и при патологии – то есть во время заболеваний, действуя локально или системно – на организменном уровне.
Цитокины – важнейшие регуляторы воспаления. Процесс воспаления – это естественный защитно-приспособительный механизм, который сопровождается патологическими реакциями. Они, к слову, были описаны еще древними врачами:
1. rubor – краснота;
2. tumor – опухоль (отек);
3. calor – жар (повышение температуры);
4. dolor – боль;
5. functio laesa – нарушение функций поврежденной ткани.
Процесс воспаления направлен на устранение повреждающего агента. Им может быть патоген – бактерия, вирус, грибок, паразит или какое-либо раздражающее вещество – аллерген. В результате воспаления часто могут быть повреждены собственные клетки и ткани организма. Особенную опасность представляют те случаи, когда реакции воспаления выходят из-под контроля. Например, анафилактический шок или анафилаксия – острая реакция гиперчувствительности немедленного типа, которая иногда развивается в результате повышенной чувствительности организма к какому-либо аллергену. При этом иммунные клетки стремительно выбрасывают множество медиаторов воспаления, которые провоцируют отек верхних дыхательных путей, бронхоспазм, ларингоспазм, падение артериального давления и другие симптомы. Если вовремя не оказать правильную медицинскую помощь человеку с подобными симптомами, то он может погибнуть – в том числе и от удушья. Чтобы не допускать таких острых реакций, иммунная система регулирует интенсивность воспалительного процесса – поддерживает его ограниченное время и прекращает при помощи противовоспалительных сигнальных молекул.
По характеру усиления или сдерживания воспаления молекулы цитокинов можно поделить на два типа – провоспалительные и противовоспалительные. В тех случаях, когда необходимо активно бороться с инфекцией и запускать в организме процессы воспаления, иммунные клетки производят провоспалительные цитокины. В иных случаях, когда воспаление нужно подавить – противовоспалительные. Для того, чтобы иммунная система успешно выполняла свои функции, необходимо поддержание баланса действующих цитокинов.
Существует три типа цитокинов – интерлейкины, интерфероны и хемокины. Эти соединения обладают широким спектром биологической активности, однако основная их функция – координировать иммунный ответ.
Интелейкины (ILs) – это группа из 36 типов сигнальных белковых молекул (от IL-1 до IL-36). Интелейкины получили свое название потому, что впервые были обнаружены в лейкоцитах и регулировали взаимодействия между ними. Эти молекулы синтезируются в различных клетках организма. Существуют провоспалительные (IL-1, IL-6, IL-17 и др.) и противовоспалительные (IL-4, IL-10, IL-13 и др.) цитокины. В зависимости от типа молекул, воспаление можно вызвать, или, напротив, подавить его.
Интерфероны (IFNs) – группа сигнальных молекул, которые синтезируется клетками организма в ответ на присутствие патогенов – вирусов, бактерий, паразитов, а также реагируют на наличие опухолевых клеток. Интерфероны названы так потому, что они «мешают» вирусам в клетке размножаться. Они препятствуют синтезу белка в зараженной клетке на этапе трансляции, то есть при переводе последовательности РНК в цепочку аминокислот на рибосомах клетки. Если синтез белка не происходит, то не происходит образования вирусных белков. В результате вирус не может распространяться в организме. Также интерфероны активируют иммунные клетки – натуральные киллеры и макрофаги – и усиливают синтез молекул MHC, которые участвуют в презентации антигена. Таким образом, чем больше на поверхности зараженной клетки молекул MHC с участком антигена, тем эффективнее T-лимфоциты распознают зараженные вирусом клетки и запускают каскад иммунных реакций.
Существует около 20 видов интерферонов, которые делятся на 3 класса.
Производство молекул интерферонов первого класса (IFN type I) запускается тогда, когда в организме оказываются вирусные клетки. Клетка высвобождает некоторые виды интерферонов для того, чтобы «предупредить» соседние клетки об опасности и привлечь иммунные клетки для борьбы с вирусом. Единственный интерферон второго класса IFN-γ, синтезирующийся в организме человека, активирует макрофаги, напрямую останавливает размножение вирусов и усиливает синтез молекул MHC. IFN-γ синтезируется натуральными киллерами, T-лимфоцитами и клетками эпителиев. Об интерферонах третьего класса (IFNtype 3) пока науке известно не так много, но совершенно точно известно, что их синтез запускается и при вирусной, и при грибковой инфекции.
Интерфероны обладают довольно широким спектром биологического действия. Синтетические интерфероны применяются для лечения вирусных инфекций, рассеянного склероза, а также некоторых типов онкологических заболеваний – лейкозов и меланом.
Хемокины – группа из 50-ти сигнальных белков, которые выполняют функцию привлечения иммунных клеток. Эти молекулы получили название благодаря своей специализации. Они запускают хемотаксис иммунных клеток – движение в ответ на химический сигнал в очаг развития воспаления, а также другие иммунные процессы. У хемокинов есть специальные рецепторы, выполняющие функции антенн. Такого рода рецепторы способны улавливать сигналы от других иммунных клеток, даже если молекулы хемокинов присутствуют в очень низкой концентрации.
Как работают цитокины? Биологический эффект цитокинов осуществляются через соответствующие рецепторы которые находятся на поверхности иммунных клеток, на которые действуют эти сигнальные молекулы.
Действие цитокинов
Рассмотрим один пример действия цитокинов, направленного на привлечение иммунных клеток в очаг развития инфекции. В главе о клетках иммунитета мы рассказывали о дендритных клетках причудливой формы с отростками, которые способны захватывать патогены, переваривать их, а оставшиеся фрагменты встраивать в свою поверхность вместе с молекулой MHC – главным комплексом гистосовместимости. Дендритные клетки на молекулах МНС демонстрируют в том числе и Т-хелперам фрагменты разрушенного патогена. Т-хелперы распознают мишень, активируются, после чего запускается процесс выработки цитокинов.
Эти сигнальные молекулы привлекают в очаг инфекции фагоциты – макрофаги, нейтрофилы, эозинофилы, а также B-лимфоциты. Получив химические сигналы, эти клетки иммунитета уничтожают инфекционные агенты и помогают организму в ряде случаев приобрести иммунологическую память о конкретном патогене.
Опсонины – молекулы-метки
Молекулы-метки по основному механизму действия напоминают сигнальные молекулы, но, в отличие от них, не могут подавать сигнал иммунным клеткам без связывания со своей мишенью. Существует несколько типов молекул-меток. Мы остановимся на описании наиболее распространенных – иммуноглобулинов (Ig) или антител. Эти белки не убивают патогены, они представляют собой «маячки», которые помогают иммунным клеткам распознавать антигены – чужеродные частицы и организмы.
Классы антител
Антитела производятся плазматическими клетками в ответ на инфекцию, причем для каждого антигена формируются плазматические клетки, которые могут производить только один тип антител. Трехмерная форма молекулы напоминает латинскую букву «Y». Хотя схематическое изображение ее строения простое, на самом деле структура этих белков довольно сложна.
Существует несколько классов иммуноглобулинов IgG, IgM, IgA, IgE, IgD. Все они отличаются молекулярной массой, составом аминокислот и выполняют разные функции. Схематично строение этих молекул представлено ниже.
Антитела циркулируют в крови, в лимфе и в других жидкостях организма. При встрече с патогеном, антитело фиксирует его с помощью двух доменов, которые напоминают верхние элементы буквы Y, образуя при этом иммунный комплекс или комплекс антиген-антитело.
Сила захвата антигенов различными антителами может быть разной, и от нее зависит эффективность иммунного ответа. Клетки иммунитета распознают комплекс антиген-антитело с помощью соответствующих рецепторов на своей поверхности и запускают иммунный ответ. Так, например, макрофаги, у которых есть рецепторы к «хвостовой» части молекулы антитела IgG, «поглотят» иммунный комплекс, отмеченный этим антителом. В результате этого процесса патоген будет нейтрализован.
IgM – высокомолекулярные иммуноглобулины, которые состоят из пяти «мономеров», соединенных между собой. Все остальные типы антител не имеют такой сложной организации, как IgM, и состоят из одного «мономера» в виде буквы «Y». Этот тип иммуноглобулинов активно синтезируется при первичном иммунном ответе, когда B-лимфоцит впервые встречает антиген.
IgG – основной тип антител, циркулирующий в крови. Эти иммуноглобулины вырабатываются при вторичном иммунном ответе, который развивается при повторной встрече с патогеном. Благодаря своим небольшим размерам только lgG способны преодолевать плацентарный барьер и обеспечивать иммунитет плода. Эти антитела дольше других находятся в организме.
Нейтрофил поглощает патогены, меченные антителами
Основной функцией IgA является защита от различных инфекций слизистых оболочек желудочно-кишечного тракта, дыхательных и мочеполовых путей. Этот тип антител постоянно синтезируется лимфоцитами в тканях слизистых и мешает патогенам проникать внутрь организма. Несколько молекул IgA связываются с чужеродными частицами, окружая патоген, и в таком виде выводят его из организма.
Функции антител типа IgD, доля которых составляет менее 1 % всех антител в крови, до конца не выяснены. Известно, что в основном этот иммуноглобулин содержится на мембране большинства зрелых В-лимфоцитов. Также антитела типа lgD присутствуют в верхних дыхательных путях и после обнаружения своих мишеней взаимодействуют с базофилами – клетками-связистами, содержащими огромное количество сигнальных молекул для разных типов иммунных клеток.
Антитела IgE в свободном виде в плазме почти не встречаются. Этот тип иммуноглобулинов защищает организм от действия паразитарных инфекций. Их рецепторы присоединяются к хвостовой части эозинофилов. После того, как IgE связываются с паразитом и образуют комплекс антитело-антиген, эозинофилы его уничтожают. За счет IgE осуществляются многие аллергические реакции, поскольку базофилы и тучные клетки обнаруживают аллерген при помощи специальных рецепторов, а медиаторы воспаления – гистамин, простагландины и лейкотриены – запускают аллергические реакции.
Антитела способны захватывать не только чужеродные клетки, молекулы или частицы, но и клетки организма. В частности, это может происходить, если у молекул организма и у чужеродных молекул есть общие участки. В некоторых случаях это может приводить к запуску иммунного ответа, который будет направлен на здоровые клетки. Так в очень общих чертах выглядит механизм возникновения аутоиммунных заболеваний. Причиной таких недугов служит образование аутоантител – то есть таких антител, которые создают комплекс не с патогенами, а с собственными клетками или молекулами. В результате иммунные реакции, которые спровоцированы аутоантителами, вызывают хронические воспаления при аутоиммунных заболеваниях – системной красной волчанке, рассеянном склерозе, сахарном диабете и I типа, ревматоидном артрите и многих других.
Благодаря способности антител прочно связываться с антигенами, эти белковые молекулы можно использовать для разных видов диагностики, методов исследований, а также для лечения заболеваний.
Схема работы теста на беременность
Взаимодействие антиген-антитело довольно специфично. Антитела находят конкретную мишень, даже если ее окружают другие молекулы, и взаимодействуют только с ней. Эту особенность антител используют для диагностических тестов. Например, для экспресс-тестов на беременность. При беременности в организме женщины активно вырабатывается хорионический гонадотропин – гормон, который начинает выделяться с мочой спустя 12–15 дней после оплодотворения яйцеклетки. На тестовую полоску производители наносят антитела, которые образуют комплекс с этим гормоном. Если женщина беременна, то антитела обнаруживают в моче хорионический гонадотропин и случаях тест на беременность показывает положительный результат. Если этого гормона в моче нет, то на тесте останется только одна полоска. Подобный принцип лежит в основе многих других экспресс-тестов.
В некоторых случаях большое количество антител к определенному антигену в различных биологических жидкостях может свидетельствовать о наличии инфекционного заболевания или возбудителя. Данные о содержании антител в организме используются в диагностике. Например, распространенный анализ – госпитальный скрининг, который позволяет выявить ВИЧ, сифилис, гепатит B и C. Этот тип диагностики включает в себя определение количества антител в сыворотки крови человека ко всем указанным выше возбудителям: вирусу иммунодефицита человека, бактерии бледной трепонемы (Treponema pallidum), вызывающей сифилис, вирусов гепатита B и C, при инфицировании которыми происходит разрушение тканей печени.
Антитела активно используются для лечения различных заболеваний, как один из видов иммунотерапии, в том числе и для уничтожения злокачественных опухолей. С их помощью стимулируют иммунный ответ пациента в отношении опухолевых клеток. Для этого вида лечения подходят такие антитела, которые способны «узнавать» специфичные для опухолевых клеток молекулы – опухолевые антигены. Они в больших количествах присутствуют на поверхности больных клеток, и практически отсутствуют на поверхности здоровых. В ходе иммунотерапии к раковым клеткам присоединятся антитела, узнающие опухолевые антигены. Этот процесс служит сигналом для запуска иммунного ответа, в ходе которого опухоль может быть уничтожена.
Ученые используют антитела не только в иммунологических исследованиях и экспериментах. Они также широко применяются в клеточной биологии, физиологии и других областях знаний о живой природе. Поскольку антитела специфично связываются со своими мишенями, это создает возможность отслеживать наличие определенных молекул в тканях и клетках. Если предварительно антителу присвоить какую-либо метку (краситель, коллоидное золото и другие), то с ее помощью можно выявлять присутствие определенных веществ в растворах, тканях и в клетках. Также антитела используют для того, чтобы извлекать отдельные белки из растворов и биологических жидкостей.
Система комплемента
Скорее всего, вам с детства знакомо такое явление, как свертывание крови. После ранения поврежденные ткани выбрасывают молекулярные сигналы, запускающие каскад реакций, в результате которых формируются нерастворимые нити из фибрина. Они составляют основу кровяного сгустка. Благодаря этому процессу возможна остановка кровотечения. Похожим образом в крови работает еще один каскад реакций – система комплемента. С его помощью организм избавляется от в том числе и от бактериальных угроз. Система комплемента – часть врожденного иммунитета, реализующая свои функции только при условии последовательных взаимодействий ее компонентов.
Как устроена система комплемента? Это сеть, состоящая из примерно 50 белков сыворотки крови, которые работают в кооперации друг с другом. Основные функции этого каскада осуществляют 9 белков комплемента (С1–С9), а сами реакции запускаются тремя различными путями. Рассмотрим классический путь активации комплемента, который был открыт в первую очередь. Сначала белок C1 распознает мишень и его молекулы прикрепляются к чужеродным клеткам или к измененным клеткам организма. Далее запускается каскад реакций, при котором основные участники системы комплемента С2–С9 последовательно взаимодействуют друг с другом – постепенно расщепляются на фраг- менты, которые позже объединяются в молекулярные комплексы.
Система комплемента
В результате каскада реакций белков C1-C9 происходят следующие процессы:
1. Образование провоспалительных сигнальных молекул, которые привлекают иммунные клетки в очаг развития реакций после преобразований молекул С3 и С5 в фрагменты С3а и С5а. Эти сигнальные молекулы усиливают воспаление.
2. Образование опсонинов. Они связываются с чужеродными клетками, их частями, а в некоторых случаях и с собственными клетками организма. Опсонины указывают иммунным клеткам на то, что должно быть удалено из организма. Молекулы-опсонины, которые образуются при активации системы комплемента, выполняют фактически ту же функцию, что и антитела, обозначающие фрагменты клеток и клетки, которые необходимо удалить из организма.
3. Осуществление антимикробной функции. Благодаря реакциям белков С5–С9 происходит разрушение некоторых типов бактериальных клеток – грамотрицательных бактерий. Преобразованная молекула С5 способна объединяться с компонентами с С6 по С9. Молекулы С9 объединяются в структуру, напоминающую колодец. Эта конструкция встраивается в мембрану бактерии и образует в ней пору. Когда таких пор становится много, из клетки вытекает ее содержимое и микроб погибает.
Зачем системе комплемента 50 белков, если основные функции выполняют всего девять? Остальные белки – это регуляторы системы. Контроль очень важен – если активация системы комплемента будет происходить на здоровых клетках организма, то могут повреждаться ткани и органы, возникать очаги воспаления и развиться заболевания. Иногда дисрегуляция системы комплемента все же происходит. При этом, она работает либо недостаточно активно, либо чрезмерно эффективно. Это провоцирует возникновение патологических состояний, а также может осложнять последствия инсультов, инфарктов, нейродегенеративных и аутоиммунных заболеваний.