III. Развитие иммунной системы

А. Филогенез. На низших этапах эволюционного развития защитные реакции носят неспецифический характер. У простейших они ограничиваются поглощением и ферментативным расщеплением, у примитивных многоклеточных имеются защитные барьеры и специализированные фагоциты. Лимфоидные клетки, способные к распознаванию антигена и обладающие иммунологической памятью, появляются только у низших хордовых. У высших позвоночных и человека в защите организма принимают участие как гуморальный и клеточный иммунитет, так и факторы неспецифической защиты.

Б. Онтогенез

1. Лимфоциты на ранних этапах кроветворения образуются в желточном мешке. Затем, на 4—5-й неделе внутриутробного развития, их основным источником становится печень, а еще позже — костный мозг. B-лимфоциты проходят антигеннезависимую дифференцировку в костном мозге. Здесь на их поверхности появляются IgM. Затем они покидают костный мозг и заселяют периферические органы иммунной системы. Контакт с антигеном стимулирует антигензависимую дифференцировку B-лимфоцитов в плазматические клетки, способные к выработке антител. Плазматические клетки плода начинают секретировать IgM примерно на 10-й, IgG — на 12-й и IgA — на 30-й неделе внутриутробного развития. У новорожденного антитела представлены в основном материнскими IgG, уровни IgM и IgA, если не было внутриутробной инфекции, незначительны. Динамика уровня иммуноглобулинов в сыворотке в зависимости от возраста представлена на рис. 1.2 и в приложении V. Предшественники T-лимфоцитов на 6—8-й неделе внутриутробного развития заселяют тимус, где происходят рост, антигеннезависимая дифференцировка и гибель T-лимфоцитов, направленных против собственных антигенов. Активность этих процессов возрастает, становясь максимальной в период полового созревания.

2. Фагоциты так же, как и лимфоциты, на ранних этапах кроветворения образуются в желточном мешке. У двухмесячного плода их немного, и представлены они в основном миелоцитами и макрофагами соединительной ткани. На 4—5-м месяце внутриутробного развития в селезенке и лимфоузлах появляются моноциты, количество которых впоследствии возрастает. Нейтрофилы новорожденных, родившихся в срок, проявляют нормальную фагоцитарную активность, нейтрофилы недоношенных фагоцитируют слабее. Способность нейтрофилов и моноцитов новорожденных к хемотаксису выражена слабее, чем у взрослых.

3. Начало синтеза компонентов комплемента во внутриутробном периоде по времени почти совпадает с началом синтеза иммуноглобулинов. Компоненты комплемента не проникают через плаценту, поэтому их концентрация в крови новорожденного невелика.

IV. Механизмы иммунитета. К специфическим факторам защиты относятся гуморальное и клеточное звенья иммунитета. Фагоцитоз и опосредованное комплементом разрушение клеток относятся к неспецифическим факторам защиты. Несмотря на принципиальное отличие специфических факторов защиты от неспецифических, которое заключается в способности распознавать антиген и сохранять память о нем, функционально они тесно связаны. Так, развитие иммунного ответа невозможно без участия макрофагов, в то же время активность макрофагов регулируется лимфоцитами.

А. Гуморальный иммунитет. Антигенраспознающие рецепторы B-лимфоцитов представляют собой молекулы иммуноглобулинов. При связывании антигена с соответствующим рецептором и под влиянием цитокинов, вырабатываемых моноцитами, макрофагами и T-лимфоцитами, происходит активация B-лимфоцитов, которые начинают делиться и дифференцироваться в плазматические клетки. Часть активированных B-лимфоцитов превращаются в клетки памяти, которые обеспечивают более быстрый и эффективный иммунный ответ при повторном контакте с антигеном. Выделяют 4 стадии первичного иммунного ответа. На первой стадии, которая занимает 3—4 сут, антитела к соответствующему антигену в сыворотке отсутствуют. На второй стадии появляются IgM, и спустя 10—14 сут после контакта с антигеном — IgG. На третьей стадии уровень антител остается постоянным. Четвертая стадия первичного иммунного ответа обычно растягивается на месяцы. Она характеризуется постепенным снижением уровня антител. Вторичный иммунный ответ развивается при повторном контакте с антигеном. Антитела, главным образом IgG, появляются быстрее и в более высоком титре, чем при первичном иммунном ответе. Следует также отметить, что IgG распадаются медленнее, чем IgM.

1. Структура иммуноглобулинов. Молекула иммуноглобулина состоит из 4 гликозилированных полипептидных цепей — 2 легких и 2 тяжелых, соединенных дисульфидными мостиками в симметричную структуру (см. рис. 1.3). Существует 5 классов иммуноглобулинов — IgA, IgG, IgM, IgD и IgE. Они различаются по типу тяжелых цепей (см. табл. 1.1). Легкие цепи могут быть лишь двух типов — каппа и лямбда. Каждая молекула иммуноглобулина состоит из тяжелых цепей одного типа, соединенных с легкими цепями также только одного типа. Иммуноглобулины одного класса могут содержать как каппа-, так и лямбда-цепи. Мономерные иммуноглобулины, например IgG, состоят из одной молекулы, полимерные — IgM и IgA — из нескольких. Так, IgM состоит из 10 мю-цепей и 10 каппа- или лямбда-цепей. Помимо легких и тяжелых цепей молекулы полимерных иммуноглобулинов включают J-цепь, а молекулы IgA — секреторный компонент.

2. Разнообразие антител. Для распознавания всего многообразия антигенов окружающей среды иммунная система должна вырабатывать не менее 10⁸ антител разной специфичности. Специфичность антител, то есть способность распознавать какой-либо один антиген, определяется аминокислотной последовательностью вариабельных областей легких и тяжелых цепей (см. рис. 1.3). Разнообразие антител обеспечивается уникальным строением участков ДНК, кодирующих вариабельные области. В зрелом B-лимфоците участок ДНК, кодирующий вариабельную область тяжелой цепи, состоит из трех генов, которые обозначаются V, D и J, а вариабельная область легкой цепи — из двух генов — V и J. Костномозговой предшественник B-лимфоцита содержит множество вариантов этих генов. В процессе созревания B-лимфоцита они случайным образом комбинируются друг с другом, образуя единый комплекс, состоящий из одного гена V, одного гена D и одного гена J. Увеличению разнообразия антител способствуют также мутации этих генов.

3. Функции отдельных участков молекулы иммуноглобулина можно изучать, расщепляя ее на фрагменты. Для расщепления молекулы иммуноглобулина используются ферменты (папаин и пепсин), кислоты и мочевина. При обработке папаином молекула иммуноглобулина распадается на три части — два Fab-фрагмента и один Fc-фрагмент, тогда как пепсин расщепляет молекулу на один F(ab')₂-фрагмент и два Fc-фрагмента (см. рис. 1.3).

а. Fab-фрагмент представлен N-концевым участком тяжелой цепи и легкой цепью молекулы иммуноглобулина, каждая цепь Fab-фрагмента содержит одну вариабельную и одну константную область. Специфичность антител определяется аминокислотной последовательностью вариабельных областей.

б. Fc-фрагмент представляет собой C-концевые участки тяжелых цепей и состоит только из константных областей. От строения Fc-фрагмента зависит способность иммуноглобулина проникать через плаценту, связывать комплемент и присоединяться к разным типам клеток — макрофагам, тромбоцитам, тучным клеткам. Кроме того, от строения этого фрагмента зависит скорость синтеза и распада молекулы иммуноглобулина. В распознавании антигена Fc-фрагмент участия не принимает.

4. Классы иммуноглобулинов. Характеристика классов и подклассов иммуноглобулинов приведена в табл. 1.1.

а. IgG вырабатываются как при первичном, так и при вторичном иммунном ответе. IgG обладают максимальной способностью проникать в ткани, поэтому они наиболее эффективно связывают и удаляют антигены. На основании структурных различий тяжелых цепей можно выделить 4 подкласса IgG, которые обозначаются IgG₁, IgG₂, IgG₃ и IgG₄. Подклассы IgG различаются по способности связывать комплемент и активировать его по альтернативному пути, связываться с рецептором к Fc-фрагменту IgG на разных типах клеток и проникать через плаценту.

б. IgM вырабатываются при первичном иммунном ответе. Пентамерная молекула IgM состоит из 5 мономерных молекул, подобных молекуле IgG, связанных дисульфидными мостиками и J-цепью. Эти антитела не проникают через плаценту. IgM эффективно связывают комплемент и активируют его по классическому пути, обеспечивая разрушение клеток, например бактерий. Именно к этому классу иммуноглобулинов относятся изогемагглютинины — естественные антитела к эритроцитарным антигенам A и B.

в. IgA — основной иммуноглобулин слизистых, содержится также в крови. В слизистых IgA присутствуют в виде димеров, в сыворотке — в виде мономеров, димеров и тримеров. Димерный IgA содержит секреторный компонент, который обеспечивает проникновение молекулы через эпителий. Изолированный дефицит IgA — самая частая форма первичного иммунодефицита.

г. IgD присутствует в сыворотке в очень низкой концентрации, функции его неизвестны. IgD на поверхности B-лимфоцитов выполняют функции антигенраспознающих рецепторов.

д. IgE. В норме концентрация IgE в сыворотке невелика, однако она возрастает при аллергических реакциях немедленного типа (см. табл. 2.4). Высокоаффинные рецепторы к Fc-фрагменту IgE находятся на тучных клетках и базофилах. При связывании IgE, фиксированных на мембранах тучных клеток или базофилов, с антигеном происходит высвобождение медиаторов воспаления. Именно этот механизм лежит в основе патогенеза анафилактических реакций (см. гл. 2, п. I).

Б. Клеточный иммунитет. Основные характеристики клеточного и гуморального звеньев иммунитета представлены в табл. 1.2. Клеточный иммунитет опосредован цитотоксическими T-лимфоцитами и T-хелперами. Цитотоксические T-лимфоциты непосредственно контактируют с чужеродными клетками и разрушают их, а T-хелперы вырабатывают биологически активные вещества — цитокины, активирующие макрофаги (см. табл. 1.3). По способности вырабатывать разные цитокины и участвовать в регуляции клеточного и гуморального иммунитета T-хелперы подразделяются на 2 типа — Th1 и Th2. Первые вырабатывают интерферон гамма и интерлейкин-2, стимулируют пролиферацию цитотоксических T-лимфоцитов и активируют макрофаги, вторые вырабатывают интерлейкины-4, -5, -6, стимулируют пролиферацию и дифференцировку B-лимфоцитов, а также синтез антител разных классов.

1. Главный комплекс гистосовместимости — это группа генов и кодируемых ими антигенов клеточной поверхности, которые играют важнейшую роль в распознавании чужеродного и развитии иммунного ответа. Главный комплекс гистосовместимости человека получил название HLA. Антигены HLA подразделяются на антигены классов I и II. Антигены HLA класса I необходимы для распознавания трансформированных клеток цитотоксическими T-лимфоцитами. Важнейшая функция антигенов HLA класса II — обеспечение взаимодействия между T-лимфоцитами и макрофагами в процессе иммунного ответа. T-хелперы распознают чужеродный антиген лишь после его переработки макрофагами, соединения с антигенами HLA класса II и появления этого комплекса на поверхности макрофага. Способность T-лимфоцитов распознавать чужеродные антигены только в комплексе с антигенами HLA называют ограничением по HLA. Определение антигенов HLA классов I и II имеет большое значение в клинической иммунологии и используется, например, при подборе пар донор—реципиент перед трансплантацией органов (см. гл. 17, пп. I—II).

2. Клеточный иммунитет играет важную роль в следующих реакциях.

а. Аллергические реакции замедленного типа (например, туберкулиновые пробы), аллергический контактный дерматит.

б. Защита против внутриклеточных паразитов.

в. Противовирусный и противогрибковый иммунитет.

г. Отторжение трансплантата.

д. Противоопухолевый иммунитет.

В. Фагоциты. Фагоциты делятся на две группы: циркулирующие и тканевые. К циркулирующим фагоцитам относятся все гранулоциты и моноциты, к тканевым — макрофаги соединительной ткани, купферовские клетки, дендритные клетки селезенки и лимфоузлов, клетки Лангерганса, альвеолярные и интерстициальные макрофаги легких, клетки микроглии и другие. Фагоцитоз играет важнейшую роль в защите организма от чужеродного. Нарушения функций фагоцитов приводят к повышенной восприимчивости к инфекциям. Уничтожение антигена фагоцитами можно разделить на несколько стадий: 1) хемотаксис (направленное движение фагоцита к антигену); 2) адгезия фагоцитов к эндотелию; 3) выход фагоцитов во внесосудистое пространство; 4) опсонизация антигена (связывание с антителами и комплементом) и прикрепление к нему фагоцита; 5) фагоцитоз; 6) активация метаболизма фагоцитов; 7) расщепление антигена.

1. Хемотаксис. Фагоциты могут перемещаться хаотично и направленно. Направленное движение фагоцитов называется хемотаксисом. Известно множество веществ, вызывающих хемотаксис, например анафилатоксины (фрагменты компонентов комплемента C3a, C4a, C5a), продукты жизнедеятельности бактерий, лейкотриены.

2. Опсонизация — обволакивание поверхности чужеродных частиц антителами или компонентами комплемента — облегчает поглощение чужеродных частиц фагоцитами.

3. Фагоцитоз — это поглощение чужеродной клетки или частицы фагоцитом с образованием вакуоли — фагосомы. Фагосома затем сливается с лизосомой, в результате чего в нее попадают ферменты, разрушающие фагоцитированный материал. Важную роль в его уничтожении играют кислородные радикалы, продукция которых резко возрастает при контакте фагоцитов с бактериями или чужеродными частицами. Кроме того, в процессе фагоцитоза накапливаются галогенсодержащие радикалы, также обладающие бактерицидным действием. По продукции кислородных радикалов в ответ на введение чужеродных частиц можно оценить цитотоксическую активность фагоцитов.

Г. Комплемент состоит из более чем 25 белков — компонентов комплемента, выявляемых в крови и на поверхности некоторых клеток. Комплемент играет важную роль в защите от чужеродного: он разрушает бактериальные и инфицированные вирусами собственные клетки, участвует в регуляции воспалительных и иммунных реакций. Некоторые фрагменты компонентов комплемента, например C3b, являются опсонинами. Опсонизированные клетки быстрее фагоцитируются, поскольку фагоциты активно связываются с этими клетками через соответствующие рецепторы. Компоненты комплемента можно условно разделить на три группы: 1) компоненты, запускающие классический путь активации комплемента; 2) компоненты, запускающие альтернативный путь активации комплемента; 3) эффекторные компоненты (см. рис. 1.4).

1. Классический путь активации комплемента начинается с присоединения C1 к иммунным комплексам, в состав которых входят IgG₁, IgG₂, IgG₃ или IgM. Компонент C1 состоит из трех белков — C1q, C1r и C1s, образующих комплекс в присутствии Ca²⁺. После связывания C1q с иммунным комплексом происходит активация C1r и C1s, которые расщепляют C4 и C2 с образованием комплекса C4b2a — C3-конвертазы классического пути. Этот фермент расщепляет C3 с образованием C3b, который, в свою очередь, активирует остальные компоненты комплемента.

2. Альтернативный путь активации комплемента начинается с расщепления C3. Биологический смысл такой активации комплемента заключается в том, что защита от чужеродного начинается еще до появления антител. Активацию комплемента по альтернативному пути вызывают инулин, зимозан, бактериальные полисахариды и агрегаты IgG₄, IgA или IgE. Образовавшийся в результате расщепления C3 C3b связывается с факторами D и B с образованием комплекса C3bBb — C3-конвертазы альтернативного пути. Комплекс C3bBb стабилизируется пропердином, в отсутствие последнего комплекс C3bBb быстро разрушается.

3. Образование мембраноатакующего комплекса. При активации комплемента как по классическому, так и по альтернативному пути C3 расщепляется с образованием C3b. Компонент C3b выполняет множество функций. Он связывается с С4b2a с образованием комплекса С4b2a3b — C5-конвертазы классического пути, с фактором B с образованием комплекса C3bBb — C3-конвертазы альтернативного пути и с C3bBb с образованием комплекса C3bBb3b — C5-конвертазы альтернативного пути (см. рис. 1.5).

На следующих этапах активации комплемента по классическому и альтернативному пути формируется комплекс C5b67, фиксированный на мембране чужеродной клетки. Присоединение к нему C8 вызывает частичное повреждение мембраны и медленное разрушение клетки. Когда к комплексу C5b678 присоединяется компонент C9, образуется мембраноатакующий комплекс — структура, по форме напоминающая цилиндр, которая встраивается в клеточную мембрану и нарушает ее целостность. Через образовавшийся канал в клетку устремляются вода и электролиты, что приводит к ее гибели.

V. Антигены — это вещества, которые распознаются специфическими антителами и T-лимфоцитами и вызывают иммунный ответ. Для характеристики антигена принято использовать понятия иммуногенность и антигенность. Иммуногенность — это способность антигена вызывать иммунный ответ, а антигенность — это способность антигена связываться с антителом. Соединения с молекулярной массой менее 10 000, например лекарственные средства, сами по себе не иммуногенны. Такие соединения принято называть гаптенами. Гаптены приобретают иммуногенность лишь после соединения с высокомолекулярным белком-носителем. Гаптены не могут стимулировать выработку антител, но могут связываться с ними. Следует подчеркнуть, что иммуногенность — комплексная характеристика, которая зависит от свойств самого антигена, пути его введения и способа иммунизации.

VI. Классификация аллергических реакций. Аллергия — это такое состояние, иммунный ответ при котором сопровождается повреждением собственных тканей. Аллергическая реакция — это иммунная реакция, при которой контакт с антигеном приводит к избыточной продукции антител или пролиферации T-лимфоцитов. По классификации Джелла и Кумбса выделяют четыре типа аллергических реакций (см. рис. 1.6).

А. Аллергические реакции немедленного типа. Развитию аллергических реакций немедленного типа предшествует контакт с антигеном, продукция IgE и их фиксация на поверхности базофилов и тучных клеток. Взаимодействие антигена с фиксированными IgE приводит к высвобождению медиаторов воспаления — гистамина, лейкотриенов, цитокинов и ферментов (см. гл. 2, п. I.Г). Аллергические реакции этого типа лежат в основе анафилактических реакций, аллергического ринита, экзогенной бронхиальной астмы.

Б. Цитотоксические аллергические реакции. Цитотоксические реакции обусловлены взаимодействием IgG или IgM с антигенами, фиксированными на мембранах собственных клеток. Связывание антител с мембранами клеток приводит к активации комплемента и гибели этих клеток. Таков патогенез аутоиммунной гемолитической анемии и гемолитической болезни новорожденных. Сходные реакции, но без разрушения клеток, наблюдаются при тиреотоксикозе, вызванном тиреостимулирующими антителами, гипотиреозе, вызванном тиреоблокирующими антителами, а также при миастении, вызванной антителами, блокирующими связывание ацетилхолина с его рецепторами.

В. Иммунокомплексные аллергические реакции. Попадая в кровоток, антигены связываются с антителами с образованием иммунных комплексов, которые в норме поглощаются фагоцитами. Однако при высокой концентрации иммунные комплексы откладываются в тканях и повреждают их. Основные причины отложения иммунных комплексов — это увеличение концентрации иммунных комплексов в крови и повышение проницаемости сосудов. Фиксированные в тканях иммунные комплексы могут активировать комплемент и вызывать образование анафилатоксинов, стимулируют хемотаксис нейтрофилов и фагоцитоз. Аллергические реакции этого типа лежат в основе сывороточной болезни, инфекционного эндокардита и некоторых форм гломерулонефрита.

Г. Аллергические реакции замедленного типа. В отличие от других типов аллергических реакций, в аллергических реакциях замедленного типа антитела не участвуют. Эти реакции обусловлены взаимодействием T-лимфоцитов с антигеном. Классические примеры аллергических реакций замедленного типа — это туберкулиновые пробы и аллергический контактный дерматит.

***********************************