Иммунитет физиология. Иммунная система. Действие на инфекцию
ИММУНИТЕТ Более эффективным способом защиты внутренней среды организма от проникающих в нее чужеродных агентов (антигенов) является специфический иммунный ответ, в результате которого организм приобретает дополнительные защитные механизмы: активированные клетки и продуцируемые ими молекулы. Защитное действие этих механизмов строго избирательно (специфично) в отношении того конкретного антигена (например, патогенного микроорганизма), контакт с которым вызвал иммунный ответ. Специфический иммунный ответ является функцией клеток и органов иммунной системы.
Лимфоциты являются центральным звеном иммунной системы организма. Они осуществляют формирование специфического иммунитета, синтез защитных антител, лизис чужеродных клеток, реакцию отторжения трансплантата, обеспечивают иммунную память. Лимфоциты образуются в костном мозге, а дифференцировку проходят в тканях.
Лимфоциты, созревание которых происходит в вилочковой железе, называются Т-лимфоцитами (тимусзависимые). Различают несколько форм Тлимфоцитов. Т-КИЛЛЕРЫ (УБИЙЦЫ) осуществляют реакции клеточного иммунитета, лизируя чужеродные клетки, возбудителей инфекционных заболеваний, опухолевые клетки, клетки-мутанты. Т-ХЕЛПЕРЫ (ПОМОЩНИКИ), взаимодействуя с В-лимфоцитами, превращают их в плазматические клетки, т. е. помогают течению гуморального им мунитета. Т-СУПРЕССОРЫ (УГНЕТАТЕЛИ) блокируют чрезмерные реакции Влимфоцитов. Имеются также Т-хелперы и Т-супрессоры, регулирующие клеточный иммунитет. Т-КЛЕТКИ ПАМЯТИ хранят информацию о ранее действующих антигенах.
ТИПЫ МОЛЕКУЛ НА ПОВЕРХНОСТИ Т-ЛИМФОЦИТОВ МОЛЕКУЛЫ Антигенраспознающий рецептор (Т-клеточный рецептор) Корецепторы: СD 4, СD 8 ФУНКЦИИ Распознавание и связывание комплекса: антигенный пептид+собственная молекула главного комплекса гистосовместимости Участвуют в связывании молекулы главного комплекса гистосовместимости
Адгезия лимфоцитов к эндотелиальньим клеткам, к антигенпредставля. Адгезионные молекулы ющим клеткам, к элементам внеклеточного матрикса Костимулирующие Участвуют в активации молекулы Т-лимфоцитов после взаимодействия с антигеном
При развитии специфического иммунного ответа Тлимфоциты в лимфатических узлах, селезенке и мукозноассоциированных лимфоидных тканях выполняют секреторные и эффекторные функции. Активированные Т-лимфоциты продуцируют и секретируют молекулы цитокинов. Цитокины связываются со специфическими рецепторами на поверхности клеток-мишеней. Соединение цитокина с его рецептором порождает сигнал активации, который передается соответствующими факторами трансдукции к ядру клетки-мишени, где начинают функционировать определенные гены, контролирующие функции клеток.
Цитокины подразделяются на пять групп: Интерлейкины –цитокины, обеспечивающие взаимодействие между различными видами лейкоцитов Интерфероны – обладающие противовирусной, противоопухолевой, иммунорегуляторной активностью Факторы некроза опухолей- цитокины, обладающие цитолитической активностью Хемокины – разновидность цитокинов, обеспечивающих поступление лейкоцитов в очаг повреждения или воспаления Колониестимулирующие факторы – гемопоэтические цитокины
Активированные СD 8+ (цитотоксические) Т -лимфоциты выполняют эффекторную функцию цитотоксических Т-лимфоцитов (СТL): распознают своими рецепторами и убивают клетки-мишени, несущие на своей поверхности соответствующий по специфичности антигенный пептид. При непосредственном контакте СТL с клеткой -мишенью содержимое гранул СТL (цитотоксины: перфорины и гранзимы) проникают в клетку-мишень и вызывают ее гибель. Этот механизм называется ПЕРФОРИНЗАВИСИМЫЙ МЕХАНИЗМ.
ПЕРФОРИНЗАВИСИМЫЙ МЕХАНИЗМ Активированный белок- перфорин, продуцируемый Т-киллерами, погрузившись в мембрану клетки, полимеризуется, а образовавшиеся поры служат проводником для гранзимов, ускоряющих лизис. После проникновения в клетку, гранзимы активируют ферменты – каспаразы (сериновые протеазы). В результате этого происходит активация эндонуклеазы и деградация ДНК. Это ведет к сегментации ДНК с отделением сегментов клеток-мишеней.
В-ЛИМФОЦИТЫ (БУРСОЗАВИСИМЫЕ) проходят дифференцировку у человека в лимфоидной ткани кишечника, нёбных и глоточных миндалин. В-лимфоциты осуществляют реакции гуморального иммунитета. Большинство Влимфоцитов являются антителопродуцентами. Влимфоциты в ответ на действие антигенов в результате сложных взаимодействий с Тлимфоцитами и моноцитами превращаются в плазматические клетки. Плазматические клетки вырабатывают антитела, которые распознают и специфически связывают соответствующие антигены. 0 -ЛИМФОЦИТЫ (НУЛЕВЫЕ) не проходят дифференцировку и являются как бы резервом Ти В-лимфоцитов.
ТИПЫ МОЛЕКУЛ НА ПОВЕРХНОСТИ ВЛИМФОЦИТОВ МОЛЕКУЛЫ ФУНКЦИИ Антигенраспознающий Распознавание и рецептор имсвязывание антигена муноглобулиновой природы Адгезионные молекулы Адгезия лимфоцитов к эндотелиальным клеткам, к элементам внеклеточного матрикса
Костимулирующие молекулы Рецепторы иммуноглобулинов Рецепторы компонентов комплемента Молекулы главного комплекса гистосовместимости Рецепторы цитокинов Участвуют в активации В-лимфоцитов после взаимодействия с антигеном Связывают иммунные комплексы Участвуют в связывании иммунных комплексов Участвуют в презентации антигенов Связывают цитокины
АНТИГЕНПРЕДСТАВЛЯЮЩИЕ КЛЕТКИ Способностью представлять (презентировать) антигенные пептиды Т-лимфоцитам обладают антигенпредставляющие клетки: дендритные клетки, макрофаги и В-лимфоциты. Дендритные клетки, как и макрофаги и лимфоциты, имеют гемопоэтическое происхождение. Они локализованы в эпителии кишечника, урогенитального тракта, воздухоносных путей, легких, в эпидермисе кожи, интерстициальных пространствах.
Презентации антигенных пептидов предшествуют стадии: 1) захвата поступившего в организм антигена 2) его переработки (дезинтеграции) 3) формирования комплексов накопившихся антигенных пептидов с собственными молекулами главного комплекса гистосовместимости, постоянно синтезирующиеся в этих клетках
4) транспортировки образовавшихся комплексов на мембрану антигенпрезентирующей клетки 5) доставки во вторичные лимфоидные органы, где и происходит встреча с Тлимфоцитами и распознавание образовавшегося комплекса Т-клеточным рецептором.
СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ ОРГАНОВ ИММУННОЙ СИСТЕМЫ К органам иммунной системы относятся: - центральные (первичные): костный мозг и тимус, - периферические (вторичные): селезенка, лимфатические узлы, ассоциированная со слизистыми оболочками (мукозно-ассоциированная) лимфоидная ткань.
В центральных органах иммунной системы постоянно идут процессы пролиферации клеток-предшественниц Т- и В-лимфоцитов, их созревания (дифференцировки), их отбора (селекции), сопровождающиеся их частичной гибелью или транспортировкой созревающих клеток через кровь в периферические органы.
Периферические органы иммунной системы являются местом встречи Т- и В-лимфоцитов с поступающими туда антигенами, местом распознавания антигенов и развития последовательных стадий специфического иммунного ответа на данный антиген. Распознавание антигена лимфоцитом служит сигналом его усиленной пролиферации, ускоренной дифференцировки и активации. Влимфоциты после активации в периферических органах иммунной системы дифференцируются в плазматические клетки, продуцирующие и секретирующие антитела - иммуноглобулины.
КОСТНЫЙ МОЗГ Продолжая функцию эмбриональной печени, костный мозг является местом гемопоэза, в том числе лимфопоэза. Единая гемопоэтическая стволовая клетка может дифференцироваться в сторону общей клетки-предшественницы лимфоцитов. Эта клетка дает начало клеткампредшественницам В-лимфоцитов, Тлимфоцитов и естественных киллеров. Созревающие активированные лимфоциты начинают продуцировать цитокины, аутокринно влияющие на их пролиферацию и дифференцировку.
НАПРИМЕР, Интерлейкин - 1 и интерлейкин-6 служат синергистами колониестимулирующих факторов в стимуляции пролиферации клеток- предшественниц; интерлейкин-2 является ростовым фактором Тлимфоцитов; интерлейкины-4, -6 -7 способствуют выживанию, пролиферации и дифференцировке ранних предшественниц лимфоцитов; туморнекротизирующий фактор (ТНФ), гамма интерферон, трансформирующий ростовой фактор-бета (ТРФ-бета), напротив, ингибируют процессы пролиферации и дифференцировки клетокпредшественниц.
Костный мозг в качестве одного из центральных органов иммунной системы выполняет следующие функции: является местом начальной дифференцировки и пролиферации ранних клетокпредшественниц лимфоцитов является местом дальнейшей дифференцировки В-лимфоцитов вплоть до их выхода в кровоток и заселения периферических органов иммунной системы
является местом продукции и секреции колониестимулирующих факторов и цитокинов, влияющих на процессы пролиферации, дифференцировки и транспортировки Т и В-лимфоцитов; является одним из мест продукции и секреции антител (иммуноглобулинов)
ТИМУС (ВИЛОЧКОВАЯ ЖЕЛЕЗА) Тимус в качестве одного из центральных органов иммунной системы является местом созревания Тлимфоцитов из клеток-предшественниц и формирования огромного разнообразия зрелых Тлимфоциов, способных распознать своими рецепторами любой антиген. Лимфоциты, находящиеся в тимусе, называют тимоцитами. В тимусе идут параллельно несколько процессов: пролиферация Т-лимфоцитов, их созревание (дифференцировка), отбор пригодных для данного организма клеток, которому сопутствует гибель значительной части непригодных клеток.
В качестве одного из центральных органов иммунной системы ТИМУС выполняет следующие функции: а) контролирует пролиферацию, дифференцировку, отбор и окончательное созревание Тлимфоцитов б) продуцирует тимические гормоны, влияющие на функции Т-лимфоцитов.
СЕЛЕЗЕНКА И ЛИМФАТИЧЕСКИЕ УЗЛЫ В КАЧЕСТВЕ ОДНОГО ИЗ ПЕРИФЕРИЧЕСКИХ ОРГАНОВ ИММУННОЙ СИСТЕМЫ СЕЛЕЗЕНКА И ЛИМФАТИЧЕСКИЕ УЗЛЫ ЯВЛЯЮТСЯ МЕСТОМ: 1) созревания естественных киллеров(СЕЛЕЗЕНКА), 2) распознавания антигена, 3) антигензависимой пролиферации и дифференцировки Т- и В-лимфоцитов, 4) активации Т- и В-лимфоцитов, 5) продукции цитокинов, 6) продукции и секреции специфических антител - иммуноглобулинов.
Один лимфатический узел имеет массу около 1 г. Каждый час из лимфоузла выходит в лимфу количество лимфоцитов, эквивалентное его утроенной массе. Большая часть (90 %) клеток в этой эфферентной лимфе представляют собой лимфоциты, покинувшие кровяное русло на территории этого лимфатического узла. Среди клеток лимфатического узла около 10% составляют макрофаги и около 1 % - дендритные клетки.
МУКОЗНО-АССОЦИИРОВАННАЯ ЛИМФОИДНАЯ ТКАНЬ Непосредственно под мукозным эпителием слизистых оболочек в тесной связи с эпителиальными клетками располагаются лимфоциты пейеровых бляшек кишечника, лимфоидных фолликулов аппендикса, миндалин глотки, лимфоидных фолликулов подслизистого слоя верхних дыхательных путей и бронхов, мочеполового тракта. Все эти лимфоидные скопления получили собирательное название - мукозно-ассоццированная лимфоидная ткань.
РАННИЙ ЗАЩИТНЫЙ ВОСПАЛИТЕЛЬНЫЙ ОТВЕТ: 1. призван препятствовать внедрению и распространению возбудителя, по возможности быстро удалять его из организма. 2. разыгрывается в течение первых 4 суток после внедрения возбудителя.
3. обеспечивается факторами врожденного иммунитета, к которым относятся фагоцитирующие клетки крови и тканей, естественные киллеры, циркулирующие в крови белковые молекулы, обладающие защитными свойствами (компоненты системы комплемента и др.), а также межклеточные медиаторы - цитокины 4. стимулирует последующий специфический иммунный ответ, влияет на его форму, способствуя развитию наиболее эффективного против конкретного микроорганизма специфического иммунного ответа.
Ранний воспалительный ответ начинается с привлечения лейкоцитов из кровяного русла в очаг инфекции с последующей их активацией для удаления возбудителя. Проявляется инфильтрацией очага инфекции фагоцитирующими клетками, где эти клетки получают дополнительные сигналы активации от микробных продуктов и компонентов (липополисахарид клеточной стенки бактерий), от компонентов активированной системы комплемента и от провоспалительных цитокинов, в том числе, от гамма-интерферона, продуцируемого и секретируемого активированными естественными киллерами.
NK – НАТУРАЛЬНЫЕ КИЛЛЕРЫ Основная особенность – способность уничтожать клетки-мишени без предварительного распознавания антигенов. Они находятся в состоянии постоянной готовности к цитолизу. Общая продолжительность цитолиза, обусловленного NK-клетками: 1 -2 часа. Цитолитический эффект достигается путем формирования перфориновых пор в мембране клетки-мишени и проникновении веществ, усиливающих лизис – ГРАНЗИМОВ (сериновых протеаз и эстераз трипсинового и химотрипсинового типа).
В случае попадания в организм небольшого количества низковирулентных возбудителей ранний воспалительный ответ подавляет очаг инфекции. Удаление из кровяного русла попавших в кровь единичных бактериальных клеток является функцией системы комплемента. Большая часть компонентов комплемента синтезируются гепатоцитами и мононуклеарными фагоцитами. Компоненты комплемента (С 1, С 2, С 3, С 4, С 5, С 6, С 7, С 8, С 9, факторы В и О) содержатся в крови в неактивной форме.
При попадании в кровяное русло бактерий на их поверхности каскад ферментативных реакций ведет к последовательной активации компонентов системы комплемента («альтернативный путь активации») с формированием мембранатакующего комплекса (С 5- С 9), вызывающего лизис бактерий. В процессе активации системы комплемента накапливаются фрагменты, которые опосредуют разные биологические эффекты: привлечение лейкоцитов в очаг инфекции или воспаления (хемотаксис) - фрагмент С 5 а, усиление фагоцитоза (опсонизацию) - СЗb, индукцию синтеза и секреции медиаторов воспаления - СЗа, С 5 а.
СПЕЦИФИЧЕСКИЙ ИММУННЫЙ ОТВЕТ Начинается с этапа представления и распознавания антигена. 1) макрофаги, как правило, представляют антигены бактериального происхождения - продукты захвата и внутриклеточной переработки ими бактерий, 2) В-лимфоциты представляют микробные антигены, антигены токсинов, связанные их поверхностными иммуноглобулиновыми рецепторами, 3) наиболее универсальными антигенпредставляющими клетками являются дендритные клетки, которые, необходимы для запуска первичного иммунного ответа, представляют многие, в том числе опухолевые, антигены
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ Т-ХЕЛПЕРОВ (ТH 1) С АНТИГЕНПРЕДСТАВЛЯЮЩИМИ ДЕНДРИТНЫМИ КЛЕТКАМИ (ДК) ОПОСРЕДОВАНО ЦИТОКИНАМИ (ИЛ-12, ГАММА-ИНТЕРФЕРОН) КОСТИМУЛИРУЮЩИМИ МОЛЕКУЛАМИ(CD 40, CD 40 L)
АКТИВАЦИЯ Т- И В-ЛИМФОЦИТОВ В ИММУННОМ ОТВЕТЕ В-лимфоцит получает одновременно два сигнала активации: 1. от антигенраспознающего рецептора при его соединении с антигеном 2. от связывания его поверхностных костимулирующих молекул с соответствующими лигандами на Т-лимфоцитах. После этого В-лимфоцит пролиферирует и потомки его превращаются в зрелые антителопродуцирующие плазматические клетки.
Т-лимфоцит в ответ на контакт с антигеном начинает пролиферировать, потомки его приобретают способность продуцировать определенные цитокины или превращаются в зрелые цитотоксические клетки. В зависимости от того, какие дополнительные сигналы активации (цитокины, костимулирующие молекулы) получает Т-лимфоцит в момент контакта с антигеном, его потомки дифференцируются в двух разных направлениях, превращаясь в Т-хелперы, продуцирующие гамма-интерферон (Th 1), или в Т-хелперы, продуцирующие интерлейкины-4, -5, 6, -10, -13 (Th 2).
Количественное преобладание Th 1 над Th 2 является условием развития клеточного (клеточноопосредованного) иммунного ответа. В случае преобладания Th 2 развивается гуморальный иммунный ответ, проявляющийся продукцией специфических антител.
Специфические антитела - иммуноглобулины против конкретных антигенов бактерий (стафилококки, стрептококки, возбудители дифтерии, кишечных инфекций, клостридии и др.), связываясь с бактериальными токсинами, вызывают их нейтрализацию, т. е. утрату токсического действия на организм. Сами бактерии, связавшиеся со специфическими антителами, быстрее и легче захватываются и убиваются фагоцитирующими клетками или лизируются активированной системой комплемента.
ИММУНОГЛОБУЛИНЫ ДЕЛЯТСЯ НА ПЯТЬ КЛАССОВ: Ig G- мономер, доминирующий среди других изо- типов иммуноглобулинов у взрослых в кровяном русле, легко диффундирующий из крови в ткани, единственный из иммуноглобулинов способен преодолевать плацентарный барьер и обеспечивать гуморальный иммунитет новорожденных первых месяцев жизни. Ig M-пентамер, состоящий из пяти четырехцепочечных структур, (называют еще макроглобулином из-за высокой молекулярной массы). Синтезируется раньше других классов в онтогенезе, может продуцироваться в организме плода в ответ на внутриутробную инфекцию. Ig A циркулирует в сыворотке крови в виде мономеров или димеров. Димер Ig А может связываться с полиглобулиновым рецептором на базолатеральной поверхности эпителиальных клеток и в комплексе с этим рецептором проникать в эпителиальные клетки. Ig. D содержится в следовых количествах Ig. E в крови здоровых людей практически не содержится
Защитное действие специфических антител реализуется с помощью нескольких механизмов: 1) усиление фагоцитоза бактерий, 2) нейтрализация бактериальных экзотоксинов и вирусов; 3) активация системы комплемента с последующим бактериолитическим действием ее мембранатакующего комплекса, 4) препятствие колонизации слизистых оболочек патогенными бактериями и адсорбции вирусов.
В результате гуморального иммунного ответа на бактериальную инфекцию в сыворотке крови накапливаются специфические антитела классов Ig G и Ig М. При взаимодействии этих антител с антигенами на поверхности бактерий создаются условия активации системы комплемента по классическому пути, результатом которого становится лизис бактерий (бактериолиз). Классический путь активации системы комплемента начинается со стадии соединения С 1 с определенным участком молекулы иммуноглобулина, который становится доступным только после взаимодействия иммуноглобулина - антитела со своим антигеном.
С 1 при этом активируется, приобретая активность сериновой протеиназы (эстеразы), которая запускает каскадный процесс расщепления и присоединения последующих фракций: С 4, С 2, СЗ. После активации СЗ запускается дальнейший каскад формирования мембранатакующего комплекса (С 5-С 9), что ведет к лизису бактерий.
ИММУНОЛОГИЧЕСКАЯ ПАМЯТЬ После первой встречи организма с чужеродным антигеном в лимфоидных органах сохраняются долгоживущие потомки Т- и В-лимфоцитов, пролиферировавших в ответ на сигнал активации, полученный от антигенраспознающих рецепторов. На мембране этих клеток-потомков сохраняются специфические для данного антигена рецепторы, способные связаться с ним при его повторном попадании в организм. Способность иммунной системы организма ускоренно и усиленно отвечать активацией на повторную встречу с тем же антигеном характеризуется как иммунологическая память.
ОСОБЕННОСТЯМИ ДОЛГОЖИВУЩИХ В-КЛЕТОК ПАМЯТИ ЯВЛЯЮТСЯ: 1) способность быстро отвечать пролиферацией и дифференцировкой в плазматические клетки на повторную встречу с антигеном,) способность быстро переключаться с синтеза Ig М на синтез Ig. G и Ig. A, З) способность быстро продуцировать и секретировать большое количество специфических антител с выраженными защитными свойствами.
Особенностями Т-клеток памяти являются: 1) повышенная активность связывания антигена антигенраспознающими рецепторами, 2) повышенное количество рецепторов интерлейкина - 2, З) готовность быстро ответить на повторный контакт с антигеном активацией, пролиферацией и дифференцировкой в клеткиэффекторы.
Иммунология рассматривает антиген в качестве биологического маркера клеток, тканей, органов и жидкостей организма в процессах онто- и филогенеза. Эти структуры называют антигенами главного комплекса гистосовместимости (МНС), так как они контролируются группами генов главной системы гистосовместимости, расположенными у человека на шестой хромосоме.
МНС выполняют в организме разнообразные функции. Так, антигены МНС класса 1 и 2 определяют способность иммунной системы организма распознавать чужеродные антигены. Суть этого явления состоит в том, что микроорганизмы, продукты их распада или жизнедеятельности, другие неизмененные антигены Т-лимфоцитами не распознаются, поэтому вначале они подвергаются переработке в клетках-макрофагах, где происходит их частичная денатурация и протеолиз, как правило, до пептидов. Такой низкомолекулярный переработанный антиген перемещается на поверхность клетки, связывается с находящимися здесь молекулами МНС и становится доступным для восприятия Т-лимфоцитами. При этом комплексы антигенов с молекулами МНС класса 1 распознаются цитотоксическими Т-лимфоцитами, которые осуществляют разрушение злокачественно перерожденных или инфицированных вирусом клеток, а комплексы антигенов с молекулами МНС класса 2, образующимися в основном на В-лимфоцитах и макрофагах, распознаются Т-хелперами, которые как посредники передают сигнал и включают В- и Т-клетки в антителообразование или другие эффекторные процессы.
Антитела – это особый вид белков, называемых иммуноглобулинами, вырабатываемых под влиянием антигенов и обладающих способностью специфически реагировать с ними. Антитела могут нейтрализовать токсины бактерий и вирусы (антитоксины и вируснейтрализующие антитела), осаждать растворимые антигены (преципитины), склеивать корпускулярные антигены (агглютинины), повышать фагоцитарную активность лейкоцитов (опсонины), связывать антигены, не вызывая каких-либо видимых реакций (блокирующие антитела), совместно с комплементом лизировать бактерии и другие клетки, например, эритроциты (лизины).
Антитела представляют собой гликопротеины с молекулярной массой от 150 000 до 1 000 000. В простейшем случае молекула AT имеет форму буквы «игрек» или «рака» с меняющимся углом между двумя верхними отрезками («клешнями»), что говорит о гибкости ее структуры. Состоят антитела из четырех полипептидных цепей, связанных друг с другом дисульфидными мостиками. Две цепи – длинные и посередине изогнутые (как хоккейные клюшки), а две – короткие и прямые – прилегают к верхним отрезкам длинных цепей. Молекулярная масса длинных цепей 50 000, их называют тяжелыми, или Н-цепями; коротких – 25 000, их называют легкими, или Z-цепями. Тяжелые и легкие цепи отличаются по аминокислотному составу и антигенным свойствам.
Обе цепи иммуноглобулина по порядку расположения в них аминокислот делятся на две части. Одна из них, С-область, у всех цепей иммуноглобулина стабильна; другая, V-область, вариабельна, последовательность аминокислот в ней меняется в зависимости от вида антигена, вызывающего образование антитела. При этом на концах V-областей молекулы Y (на двух «клешнях рака») формируются два антигенсвязывающие центра. Последние у разных иммуноглобулинов имеют разную конфигурацию, комплементарную детерминантной группе того антигена, под воздействием которого выработались.
Таким образом, распознавание антигена соответствующим антителом происходит не по химической структуре, а главным образом по общей конфигурации антигена благодаря взаимной комплементарности с антигенсвязывающим центром. Антитела связываются с антигенами за счет пространственной комплементарности, которая обеспечивается межмолекулярными силами и водородными связями. Прочность взаимодействия между антигеном и одним антигенсвязывающим центром называется аффинностью (сродством). Реакция между антигеном и антителом приводит к образованию комплекса антиген-антитело (АГ-АТ). В некоторых случаях связывания антигена антителом уже достаточно для обезвреживания антигена – нейтрализации (например, обезвреживание столбнячного анатоксина). Сродство антител к соответствующим им антигенам может быть различным. В сыворотке против того или иного антигена всегда содержится смесь многих молекул антител с различным сродством к нему, и их соединение с антигеном обусловливает перекрестные реакции. Если в молекуле антигена имеются несколько детерминант с одинаковой антигенной специфичностью, то молекулярные агрегаты, образующиеся в присутствии специфических антител, могут становиться настолько крупными, что комплексы АГ-АТ уже не могут оставаться в растворе и выпадают в осадок – происходит преципитация. В диагностике преципитацию применяют для определения природы антигенов и специфичности антител. В реакциях антител с антигенами, представляющими собой частицы или клетки (частицы крови, бактерии), также могут образовываться крупные агрегаты, иногда даже видимые невооруженным глазом. Подобные реакции агглютинации («склеивания») используют для определения групп крови, идентификации бактерий, а также антител против бактериальных белков и гормонов в крови и моче. На основании этой реакции различают полные и неполные антитела. Так, соответствующие полные антитела (обычно принадлежащие к классу JgM) непосредственно вызывают агглютинацию эритроцитов, тогда как неполные антитела (преимущественно класса JgG) реагируют с расположенными на их поверхности антигенами, но в силу своих небольших размеров не могут вызывать агглютинацию.
Антигены, соединенные со специфическими участками связывания неполных антител, уже не могут реагировать с полными антителами, поэтому неполные антитела называют также блокирующими. Последние блокируют антиген, а нередко одновременно связывают комплемент, вследствие чего их уже называют и комплементсвязывающими. Если же реакция антиген-антитело не вызывает каких-либо изменений в организме, их называют антителами-свидетелями. Реагирование JgE и JgG с антигенами может приводить к развитию аллергий. При незначительных, бесследно исчезающих проявлениях аллергии на кожных покровах аллергические антитела называют реагинами, а при ярко выраженных повреждениях клеток кожи – агрессинами, или кожно-сенсибилизирующими антителами. Как и все белки, иммуноглобулины являются антигенами, и по отношению к ним вырабатываются антииммуноглобулины, то есть антитела против антител.
В зависимости от строения константных областей тяжелых цепей все иммуноглобулины подразделяют на пять классов: JgG, JgM,JgA,JgE,JgD.
Jg G активируют систему комплемента и связываются с некоторыми антигенами поверхности клеток, делая тем самым эти клетки более доступными для фагоцитоза. Поскольку это сравнительно мелкие мономерные молекулы, они могут проникать через плацентарный барьер из крови матери в кровь плода. Так как до рождения у плода существенной продукции антител не происходит (для этого требуется контакт с чужеродными веществами), JgG матери служат важными механизмами защиты новорожденного от инфекции. В последующем их количество пополняется при кормлении ребенка грудью (особенно в первые шесть часов после родов), что обеспечивает ему иммунитет в первые недели жизни. Содержание этих иммуноглобулинов в крови ребенка обычно даже выше, чем у матери. Они защищают организм новорожденного от вируса полиомиелита, вируса краснухи, от возбудителей менингита, коклюша, столбняка, дифтерии. Через 2–4 месяца содержание JgG заметно снижается, что связано с интенсивным распадом материнских AT и временной недостаточностью собственного синтеза. Со 2-го года жизни ребенка количество JgG в его крови начинает увеличиваться и достигает взрослого уровня к 4–5 годам.
Бурная выработка JgG происходит уже при повторном попадании антигена в организм, обеспечивая нейтрализацию бактериальных токсинов и вирусов. Период полураспада 24 дня.
JgM – самые крупные антитела, вырабатывающиеся на первичное введение в организм антигена. Они отличаются выраженной авидностью и образуют прочные соединения с антигенами, несущими множественные детерминанты, – эти антитела вызывают агглютинацию и способны нейтрализовывать инородные частицы, обеспечивая устойчивость к бактериальным инфекциям. К JgM принадлежат антитела системы групп крови АВО, холодовые агглютинины и ревматические факторы. Сохраняются JgM , однако, недолго – период их полураспада не превышает 5 дней.
JgA могут представлять собой как мономеры, так и полимеры и вырабатываются как на первичное, так и на вторичное воздействие антигена. При этом сывороточные JgA накапливаются в крови. Биологическая роль их до конца не изучена. Секреторные JgA продуцируются в слизистых оболочках кишечника, в верхних дыхательных путях, в мочеполовой трубке, содержатся в слезной жидкости, слюне, молоке и обеспечивают местный иммунитет тканей против антигенов, контактирующих со слизистыми оболочками. Период полураспада – 6 дней.
Мономерные иммуноглобулины JgD и JgE присутствуют в плазме в очень низких концентрациях. Возможно, они функционируют как связанные с клетками рецепторы антигенов. JgE соединяются со специальными рецепторами на поверхности базофилов и тучных клеток при встрече с соответствующим антигеном, клетка – носитель этого иммуноглобулина – секретирует гистамин и другие вазоактивные вещества, вызывающие аллергическую реакцию.
JgD находится на поверхности В-лимфоцитов и вместе с JgM составляет основную часть их рецепторов. О физиологической роли их известно мало.
В последние годы стали проясняться некоторые механизмы генной регуляции синтеза иммуноглобулинов. Существенный шаг вперед в этом направлении был сделан тогда, когда было обнаружено, что сегменты генов, кодирующих Н- и L-цепи иммуноглобулинов в предшественниках лимфоцитов, вначале «разбросаны» по хромосоме, то есть пространственно разделены. Для каждой вариабельной (V-области) части цепи исходно существует очень много (по меньшей мере 10 3) различных генных сегментов. Поскольку и Н-, и L-цепи антител имеют свои V-области, участвующие в связывании антигена, числом возможных комбинаций обеспечивается синтез по меньшей мере 10 6 специфичностей антител. При таком огромном разнообразии возможностей антиген вызывает пролиферацию именно тех В-лимфоцитов, которые распознают данный антиген.
Лекция № 6
Физиология крови (часть 2). Физиология иммунной системы
План лекции
1. Функция базофилов и эозинофилов.
2. Лимфоциты. Т-, В- и О- лимфоциты, их функция в организме.
3. Роль органов иммунной системы в защите организма.
4. Развитие Т- и В- лимфоцитов.
5. Механизм иммунного ответа организма.
6. Центральные органы иммунной системы.
7. Периферические органы иммунной системы.
Базофилы осуществляют синтез биологически активных веществ (БАВ) и ферментов: гепарина, входящего в антисвёртывающую систему крови; гистамина, расширяющего кровеносные сосуды; гиалуроновой кислоты, изменяющей проницаемость сосудистой стенки. В крови базофилов очень мало, однако в различных тканях, в том числе в сосудистой стенке, содержатся «тучные клетки», иначе называемые «тучные базофилы».
Существует два основных вида тканевых базофилов, отличающихся типом гистохимической структуры (клетки I I типа содержат в цитоплазме в 3 - 5 раз больше гранул, имеют больший периметр, длину, ширину, площадь и оптическую плотность). Они располагаются в слизистой оболочке желудочно-кишечного тракта, в субэпидермальной зоне кожи и в лимфатических узлах, т. е. входят в состав клеточных сообществ «барьерных» органов и зон, которые находятся в условиях постоянной антигенной стимуляции, обеспечивая реакции местного иммунитета.
Эозинофилы адсорбируют на своей поверхности антигены (чужеродные белки), многие тканевые вещества и токсины белковой природы. Обладают фагоцитарной активностью, особенно в отношении кокков. В тканях эозинофилы скапливаются преимущественно в тех органах, где содержится гистамин - в слизистой оболочке и подслизистой основе желудка и тонкой кишки, в лёгких. Они захватывают гистамин и разрушают его с помощью фермента гистаминазы, регулируя таким образом аллергические реакции. Эозинофилы выполняют роль «чистильщиков», фагоцитируя и инактивируя продукты, выделяемые базофилами. Чрезвычайно велика роль эозинофилов в борьбе с гельминтами, их яйцами и личинками.
Лимфоциты являются центральным звеном иммунной системы. Они образуются из стволовых лимфоидных клеток костного мозга и затем переносятся к тканям, где проходят дальнейшую дифференциацию. Одна их популяция направляется в вилочковую железу, где превращается в Т-лимфоциты (от лат. cлова thymus), другие клетки попадают в ткани миндалин и аппендикса, становятся В-лимфоцитами (от лат. слова bursa - фабрициева сумка у птиц, где они впервые были открыты). Часть лимфоидных клеток (10-20%) не проходит дифференцировки в органах иммунной системы и образуют группу О-лимфоцитов, составляющих резерв Т - и В - клеток, в которые при необходимости могут превращаться.
Популяция Т-лимфоцитов представлена несколькими классами клеток:
1) Т-киллеры(убийцы) посредством ферментов уничтожают микробы, вирусы, грибки, опухолевые клетки и др.;
2) Т-хелперы (помощники) выделяют биологически активные вещества (БАВ), усиливающие клеточный иммунитет (Т - Т-хелперы) и облегчающие течение гуморального иммунитета (Т - В-хелперы), без их участия В-лимфоциты не в состоянии превратиться в клетки плазмы;
3) Т- амплифайеры усиливают функцию Т- и В-лимфоцитов;
4) Т-супрессоры угнетают гуморальный иммунитет;
5) Т-клетки памяти хранят информацию о ранее действующих антигенах и таким образом регулируют вторичный иммунный ответ.
В-лимфоциты участвуют в реакциях гуморального иммунитета. Особенностью этих клеток является наличие на их поверхности микроворсинок, способных распознавать определённые виды чужеродных веществ - антигены (полисахариды, белки, вирусы и др.). Из В-лимфоцитов образуются также клетки плазмы (антителопродуценты), которые, как и лимфоциты, синтезируют антитела и выделяют их в кровь, лимфу и тканевую жидкость.
Физиология иммунной системы
Родоначальником всех видов клеток крови и иммунной (лимфоидной) системы являются стволовые клетки костного мозга. В костном мозге в его миелоидной ткани из стволовых клеток образуются клетки - предшественники, из которых путем распределения и дифференцировки по трем направлениям образуются: эритроциты, лейкоциты, тромбоциты. Из стволовых клеток в самом костном мозге и в тимусе образуются лимфоциты.
Иммунная система объединяет органы и ткани, обеспечивающие защиту организма от генетически чужеродных клеток или веществ.
В органах иммунной системы образуются иммуннокомпетентные клетки-лимфоциты, которые включаются в иммунный процесс. Лимфоциты распознают и уничтожают чужеродные клетки и вещества. При попадании в организм чужеродных веществ - антигенов образуются антитела (иммуноглобулины), которые нейтрализуют антигены.
К органам иммунной системы относятся все органы, которые участвуют в образовании клеток (лимфоцитов, плазматических клеток), осуществляющие защитные функции организма.
К органам иммунной системы относятся: костный мозг, тимус, скопления лимфоидной ткани, расположенные в тонком кишечнике - пейеровы бляшки, миндалины, селезенка и лимфатические узлы.
Костный мозг, тимус относятся к центральным органам иммунной системы. Другие - к периферическим органам иммуногенеза.
Стволовые клетки поступают из костного мозга в кровь, затем в тимус, где образуются Т - лимфоциты - тимус - зависимые. В самом костном мозге из стволовых клеток образуются В - лимфоциты, не зависящие от тимуса. Т- и В-лимфоциты попадают в периферические органы иммунной системы. Т-лимфоциты обеспечивают клеточный иммунитет. В - лимфоциты (их производные - плазматические клетки) синтезируют антитела (иммуноглобулины).
Т - лимфоциты поступают в тимус-зависимые зоны лимфатических узлов (паракортикальную зону), селезенки (лимфоидные, периартериальние муфты).
В - лимфоциты поступают в бурсозависимые зоны лимфатических узлов и селезенки. Т и В - лимфоциты с участием макрофагов выполняют функции генетического контроля, распознают и уничтожают чужеродные вещества и микроорганизмы. Общая масса лимфоцитов равна 1 300 - 1 500 г, 2,5% всей массы тела. У новорожденных - 4,3%.
В целом процесс иммунного ответа можно представить следующим образом:
1. Нейтрофилы являются первичной защитой организма от чужеродных веществ. Когда микробы проникают в организм, нейтрофилы атакуют и «пожирают» их.
2. Макрофаги уничтожают значительную часть чужеродных организмов, избежавших атаки нейтрофилов.
3. Одновременно с процессом фагоцитоза макрофаги обмениваются информацией с Т - хелперами, сообщая им о природе антигена (бактерий, вирусов или макромолекул).
4. Т- хелперы выделяют в кровь химическое вещество лимфокин, которое сигнализируют В - лимфоцитам, чтобы те активировали выработку необходимых антител.
5. В - лимфоциты исследуют структуру чужеродного агента и вырабатывают антитела, предназначенные для борьбы именно с ним.
6. Т - киллеры, активно циркулирующие по системе крови, получают информацию от Т-хелперов на разрушение чужеродных клеток и уничтожают их. Одновременно фагоциты разрушают повреждённые микробами собственные клетки.
7. После уничтожения всех антигенов Т - супрессоры дают команду Т-хелперам о прекращении иммунного ответа.
Интенсивность иммунного ответа во многом определяется состоянием нервной и эндокринной систем. Гипофиз и эпифиз с помощью пептидных биорегуляторов - цитомединов - контролируют деятельность вилочковой железы и костного мозга. Передняя доля гипофиза является регулятором преимущественно клеточного, а задняя - гуморального иммунитета.
Ряд микроорганизмов может ослаблять иммунную систему, а некоторые, например, ВИЧ, полностью блокируют её работу, прицельно убивая Т- хелперов.
Центральные органы иммунной системы расположены в местах, защищенных от внешних воздействий.
Периферические органы иммунной системы расположены на путях возможного внедрения в организм чужеродных веществ. Глоточное лимфатическое кольцо окружает вход в глотку из полости рта и полости носа. В слизистой оболочке органов пищеварения, дыхательных и мочевыводящих путей находятся скопления лимфоидной ткани - лимфоидные узелки. В стенках тонкой кишки - пейеровы бляшки, большое количество одиночных лимфоидных узелков. В слепой кишке и аппендиксе - также много лимфоидных узелков. В стенке толстой кишки также скопления лимфоидной ткани.
Лимфатические узлы лежат на путях тока лимфы от органов и тканей почек и слизистых оболочек.
Селезенка лежит на пути потока крови из артериальной системы в венозную, является органом, контролирующим кровь. В селезенке утилизируют эритроциты, вышедшие из строя.
При постоянных и сильных антигенных действиях в центре лимфоидных узелков наблюдается размножение, образование молодых лимфоидов - герминативний центр - центр размножения. Такие узелки есть в миндалинах глоточного кольца, в стенках желудка, кишечника, в аппендиксе, в лимфоузлах, в селезенке.
Все органы иммунной системы достигают своего максимального развития в детском возрасте и у подростков. Затем постепенно уменьшается количество лимфоидных узелков, в них исчезают центры размножения, на месте лимфоидной ткани появляется жировая и соединительная ткани.
К неспецифическим механизмам относятся кожа и слизистые оболочки, осуществляющие барьерные функции, выделительная функция почек, кишечника и печени, лимфатические узлы. Лимфатические узлы представляют собой фильтр для оттекающей от тканей лимфы. Попадающие в лимфу бактерии, их токсины и другие вещества нейтрализуются и уничтожаются клетками лимфатических узлов. На пути от тканей в кровеносное русло лимфа проходит несколько таких фильтров и поступает в кровь очищенная.
К неспецифическим механизмам принадлежат также защитные вещества плазмы крови, воздействующие на вирусы, микробы и их токсины. Такими веществами являются гамма-глобулины, нейтрализующие микробы и их токсины; интерферон, инактивирующий действие многих вирусов; лизоцим, продуцируемый лейкоцитами и разрушающий грамположительные бактерии (стафилококки, стрептококки и др.); пропердин, осуществляющий разрушение грамотри- цательных микробов, некоторых простейших, инактивацию вирусов, лизис аномальных и поврежденных клеток организма.
Среди неспецифических факторов защиты существуют также и клеточные механизмы. Одним из них является фагоцитоз (от греч. phagos - пожирающий, kytos - клетка) - поглощение клетками чужеродных частиц и их внутриклеточное переваривание. Явление фагоцитоза открыт И.И. Мечников, сформулировав клеточную теорию иммунитета. Клетки, способные к захватыванию и перевариванию чужеродных веществ, были названы им фагоцитами, т.е. «пожирателями клеток».
Специфические механизмы иммунитета обеспечиваются лимфоцитами, которые создают специфический гуморальный иммунитет в ответ на действие определенных чужеродных для организма макромолекул - антигенов. Гуморальная теория иммунитета была создана немецким ученым Паулем Эрлихом и объясняла выработку в крови защитных гуморальных веществ - антител. В 1908 г. И.И. Мечников и П. Эрлих получили за разработку теории иммунитета Нобелевскую премию.
Различают врожденный и приобретенный иммунитет. При врожденном иммунитете антитела в крови имеются с момента рождения, т.е. он является наследственным. При приобретенном иммунитете антитела по отношению к тому или иному возбудителю заболевания вырабатываются в течение жизни, чаще всего после перенесенного заболевания, например ветряной оспы. Если антитела вырабатываются вследствие естественного проникновения возбудителя заболевания в организм, то говорят о естественном иммунитете. Помимо естественного, различают искусственный иммунитет, который бывает активным и пассивным. Искусственный активный иммунитет создается при введении в организм ослабленной или убитой культуры микробов - вакцины. При введении сыворотки с готовыми антителами возникает искусственный пассивный иммунитет.
Активный иммунитет длится много лет, а пассивный - несколько месяцев (рис. 4.3).
Рис. 4.3.
В 1796 г. английский врач Эдуард Дженнер сделал первую прививку от оспы. Он брал немного жидкости из оспенных пузырьков на коровьем вымени и втирал ее в царапину на коже человека. Зараженный человек заболевал оспой в легкой форме. Привитые таким способом люди никогда больше не заболевали оспой. В 1885 г. французский ученый Луи Пастер изготовил первую вакцину от бешенства.
Аллергия и анафилаксия. В ряде случаев наблюдается повышенная чувствительность к чужеродным агентам. Повышенная чувствительность к тому или иному веществу получила название аллергии (нарушенная чувствительность к собственным белкам называется ауто- аллергией). Частным случаем аллергии является анафилаксия - повышенная чувствительность к чужеродному белку, возникающая при повторном его введении и проявляющаяся в учащении дыхания и сердечных сокращений, падении артериального давления, параличе мышц и других тяжелых симптомах. Считают, что механизм анафилаксии состоит в соединении антитела с антигеном и образовании при этом токсических продуктов, сходных с гистамином.
К аллергическим заболеваниям относят заболевания астмой, при которой периодически наступает спазм воздухоносных путей и связанная с этим одышка, крапивницу, некоторые виды экзем и др.
Регуляция иммунитета. Интенсивность иммунного ответа во многом определяется состоянием нервной и эндокринной систем. Возбуждение симпатического отдела вегетативной нервной системы, как и введение адреналина, усиливает фагоцитоз и интенсивность иммунного ответа. Повышение тонуса парасимпатического отдела вегетативной нервной системы приводит к противоположным реакциям.
Стресс, а также депрессии угнетают иммунитет, что не только сопровождается повышенной восприимчивостью к различным заболеваниям, но и создает благоприятные условия для развития злокачественных новообразований.
За последние годы установлено, что гипофиз и эпифиз с помощью особых пептидных биорегуляторов, получивших название «цитоме- дины», контролируют деятельность тимуса. Передняя доля гипофиза является регулятором преимущественно клеточного, а задняя - гуморального иммунитета.