К иммунокомпетентным клеткам, обеспечивающим выполнение функций иммунной системы, относятся:
ü антигенпредставляющие клетки. К Аг-представляющим клеткам относятся макрофаги, отростчатые (дендритные) клетки лимфоузлов и селезёнки, клетки Лангерганса эпидермиса, М-клетки в лимфатических фолликулах пищеварительного тракта, дендритные эпителиальные клетки вилочковой железы. Эти клетки захватывают, обрабатывают (процессируют) и представляют Аг на своей поверхности T-лимфоцитам-хелперам;
ü T-лимфоциты ответственны за клеточный иммунный ответ, а также помогают реагировать на Аг B-лимфоцитам при гуморальном иммунном ответе. T-клетки подразделяют на регуляторные (T-хелперы, или T1-хелперы) и эффекторные (T2-хелперы, или TГЗТ): T-хелперы при взаимодействии с Аг-представляющими клетками специфически распознают Aг, а при взаимодействии с В-клетками индуцируют гуморальный иммунный ответ; TГЗТ (T-эффекторы реакций гиперчувствительности замедленного типа) опосредуют реакции гиперчувствительности замедленного типа; CD8+-лимфоциты. Мембранные Аг CD8 экспрессируют субпопуляции T-клеток, подразделяемые на регуляторные (супрессоры) и эффекторные (цитотоксические T-лимфоциты): T-супрессо рырегулируют интенсивность иммунного ответа, подавляя активность; цитотоксические Т-лимфоциты (Т-киллеры) лизируют клетки-мишени, несущие чужеродные Аг или видоизменённые собственные Аг – аутоантигены (например, клетки опухолей, трансплантатов, инфицированные вирусами; клетки, несущие поверхностные вирусные Aг). Цитотоксический эффект T-киллеров реализуется через образование в клетках-мишенях пор (под действием особых белков – перфоринов). Нарушение осмотического баланса с внеклеточной средой приводит к гибели клетки;
ü B-лимфоциты (менее 10% лимфоцитов крови) ответственны за гуморальный иммунный ответ. В мембране всех B-лимфоцитов присутствует рецептор Аг – мономер IgM. Продолжительность жизни большинства B-лимфоцитов (если они не активируются Аг!) не превышает десяти дней. Различают две подгруппы B-клеток: эффекторные B-лимфоциты. Активированные В-лимфоциты размножаются и дифференцируются в плазматические клетки, вырабатывающие АТ – Ig всех известных классов; В-лимфоциты иммунологической памяти– долгоживущие рециркулирующие малые лимфоциты. Они не превращаются в плазматические клетки, но сохраняют иммунную «память» об Аг. Клетки памяти активируются при повторной их стимуляции тем же самым Аг. В этом случае B-лимфоциты памяти (при обязательном участии T-хелперов и ряда других факторов) обеспечивают быстрый синтез большого количества специфических АТ, взаимодействующих с чужеродным Аг, и развитие эффективного иммунного ответа;
ü NK-клетки (от англ. natural killer, естественные киллеры) – лимфоциты, лишённые характерных для Т- и В-клеток поверхностных CD-детерминант. Эти клетки составляют около 5% всех циркулирующих лимфоцитов, содержат цитолитические гранулы с перфорином и уничтожают трансформированные, инфицированные вирусами и чужеродные клетки. Идентификация клеток-мишеней не связана с необходимостью узнавания NK-клетками белков MHC (главный комплекс гистосовместимости) на поверхности клеток-мишеней, как это происходит в случае T-киллеров.
Главный комплекс гистосовместимости
Лейкоцитарные Аг главного комплекса гистосовместимости МНС (от англ. major histocompatibility complex) определяют биологическую индивидуальность каждого организма. Молекулы лейкоцитарных антигенов, кодируемые генами МНС, подразделяют на два класса:
гликопротеины МНС класса I представлены на поверхности практически всех клеток;
Аг МНС класса II экспрессированы преимущественно на мембране иммунокомпетентных клеток, включая макрофаги, моноциты, Т- и В-лимфоциты.
Неиммунокомпетентные соматические клетки в нормальных условиях не экспрессируют молекулы Аг класса II. Молекулы МНС контролируют иммунный ответ. Так, Аг МНС II участвуют в представлении Аг Т-клеткам и во взаимодействии Т- и В-лимфоцитов. Аг MHC I и MHC II распознаются поверхностноклеточными дифференцировочными Аг CD (МНС I с CD8, МНС II с CD4).
2. Индукция и регуляция иммунного ответа
Взаимодействие клеток при иммунном ответе
Иммунные реакции принято подразделять на 2 типа:
гуморальные – основаны на наличии антител, которые одновременно являются эффекторами В-системы иммунитета. Различают два типа гуморального иммунного ответа:
Т-зависимый;
Т-независимый;
клеточные – основаны на действии активированных тимусзависимых лимфоцитов.
Как клеточный, так и гуморальный иммунный ответ состоит из двух фаз.
В первой фазе Аг активирует те лимфоциты, которые его распознают. Во второй (эффекторной) фазе эти лимфоциты координируют иммунный ответ, направленный на устранение Аг.
В гуморальном иммунном ответе эффекторными являются антигенпредставляющие клетки и В-лимфоциты, а регуляцию антителообразования осуществляют Т-хелперы и Т-супрессоры.
В клеточном иммунном ответе эффекторными клетками являются цитотоксические Т-лимфоциты, активность которых регулируют Т-хелперы и Т-супрессоры.
Иммунный ответ гуморального типа. Формирование иммунного ответа проходит в несколько этапов:
1 этап – распознавание антигена лимфоцитами. Поступивший в организм Т-независимый антиген связывается с рецепторами В-лимфоцита, представляющими собой IgM, встроенные в мембрану. Это служит сигналом к дальнейшей пролиферации и дифференцировке. Важную роль в процессе распознавания антигена играют и другие рецепторы, например, рецептор к Fc-фрагменту Ig. В зависимости от природы антигена происходят характерные изменения антигенных рецепторов связывающих комплекс «антиген-антитело». В течение нескольких минут происходит перегруппировка рецепторов, до того равномерно распределённых на поверхности клетки, с последующей их концентрацией на одном из полюсов клетки (образуются так называемые «шапочки»). Затем лимфоцит освобождает свою мембрану от этих «шапочек», содержащих антигенсвязывающие рецепторы, либо отторгая их, либо поглощая путём пиноцитоза. Спустя несколько часов утраченные мембраной лимфоцита антигенсвязывающие рецепторы вновь синтезируются и встраиваются в мембрану;
2 этап – происходит межклеточная кооперация – к индукции иммунного ответа подключаются антигенпрезентирующие клетки, а к ним подключаются и Т-лимфоциты. Антиген поглощается антигенпрезентирующими клетками, которые с помощью лизосомальных гидролаз расщепляют его, а затем выводят на свою поверхность продукты этого расщепления (антигенные детерминанты, которые значительно более иммуногенны, чем нативный антиген) и соединяют их с белками главного комплекса гистосовместимости МНС класса II. Затем антигенпрезентирующая клетка осуществляет презентацию этого комплекса Т-лимфоциту. Субпопуляции Т-лимфоцитов (Т-хелперов и Т-индукторов) имеют специализированные рецепторы для антигенов МНС II класса. Презентация антигена приводит к межклеточной кооперации и формированию двойного сигнала, антигенпрезентирующие клетки несут антигены и белок МНС класса II, а Т-лимфоциты имеют рецепторы для обеих структур, благодаря чему антигенпрезентирующие клетки и Т-лимфоцит связываются через эти два типа рецепторов. В кооперации антигенпрезентирующих клеток и Т-лимфоцитов участвуют IL-1, интерферон. Таким образом, большинство антигенов становятся иммуногенными только после переработки макрофагами и представления лимфоцитами. Иммунный ответ на Т-зависимые антигены начинается с активации Т-лимфоцитов. После переработки Т-зависимого антигена антигенпрезентирующая клетка осуществляет его презентацию Т-лимфоциту, который вслед за этим начинает вырабатывать и секретировать IL-2 – универсальный стимул для активации эффекторных Т-лимфоцитов независимо от их типа. Презентация антигена приводит к стимуляции индукторных клеток и экспрессии рецепторов для IL-2, а продукция IL-2, в свою очередь, способствует их собственной активации. Покоящиеся, не стимулированные лимфоциты не несут на своей поверхности рецепторов к IL-2 и не могут быть им активированы. Оптимальный иммунный ответ реализуется только при взаимодействии Т- и В-клеток: В-лимфоциты распознают детерминанты гаптена, а Т-клетки – носителя. Вторичная иммунная реакция на гаптен возможна только в случае, если после контакта с антигеном образуются клетки памяти, специфичные как к гаптену, так и к носителю.
3 этап – благодаря клеточной кооперации начинается биосинтез антител: активируются структурные гены, кодирующие синтез константного и вариабельного фрагментов иммуноглобулинов. Биосинтез тяжёлых (Н) и лёгких (L) цепей иммуноглобулинов происходит на полисомах. Вся полипептидная цепь сразу синтезируется в соответствии со структурой мРНК. L-цепь синтезируется в течение 30-45с, а Н-цепь в 2 раза дольше. Н- и L- цепи выделяются в эндоплазматический ретикулум, где они быстро объединяются в полную молекулу иммуноглобулина. Транспортировка молекулы к мембране клетки и встраивание углеводородов продолжается примерно полчаса.
Регуляция выработки антител
Первичный иммунный ответ. Как правило, иммунный ответ проходит в 3 этапа:
латентная фаза – отмечается циркуляция в крови лишь свободных антигенов, а антитела отсутствуют, поскольку все образующиеся в эту фазу антитела связываются с антигенами, образуя иммунные комплексы, которые элиминируются (выводятся) организмом. Эта фаза длится около 1 недели;
log-фаза характеризуется синтезом специфических антител и нарастанием их количества в сыворотке крови;
пик-фаза – по достижении максимального уровня, синтез антител может прекратиться, а вследствие катаболизма Ig их общая концентрация начинает снижаться.
Вторичный иммунный ответ возникает при повторном контакте организма с антигеном. По сравнению с первичным он отличается более короткой латентной фазой, интенсивным антителообразованием и более высоким максимальным уровнем антител. Их высокий уровень можно обнаружить в крови спустя даже несколько месяцев. Это явление имеет важное значение для клиники, так как достигнутый высокий уровень иммунитета позволяет гарантировать организму лучшую защиту. Во многом это обусловлено образованием долгоживущих клеток памяти (малые лимфоциты), которые вовлекаются в пролиферацию и синтез антител при повторном контакте с антигеном.
В процессе иммунного ответа меняется уровень антител. Тимуснезависимые антигены стимулируют синтез только IgM. Тимусзависимые антигены сначала индуцируют выработку преимущественно высокомолекулярных антител (IgM), а затем низкомолекулярных Ig (IgG и IgA), причём при первичном иммунном ответе выработка IgM значительно опережает по времени синтез IgG, а фаза выработки IgG оказывается более продолжительной.
При вторичном иммунном ответе синтез IgM и IgG начинается почти одновременно, причем IgG синтезируются более активно. Эти различия обусловлены разной степенью дифференцировки В-лимфоцитов к началу реакции. До контакта с антигеном в крови присутствуют клетки, которые первоначально могут синтезировать только IgM-антитела. Под действием Т-лимфоцитов происходит переключение синтеза с IgM на IgG и IgA. Параллельно в ходе первичного иммунного ответа появляются классоспецифические клетки памяти для IgM, IgG, IgA, IgE, но не для IgD. При повторном контакте с антигеном активируются эти клетки памяти, усиливается их пролиферация с последующим биосинтезом определенного класса Ig.
Иммунный ответ клеточного типа. Если в иммунных реакциях гуморального типа антитела выступают в роли эффекторов. То иммунный ответ клеточного типа базируется на активности Т-лимфоцитов. Часть из них оказывает непосредственное воздействие на антиген (например, клетки-киллеры), а другие влияют опосредованно через медиаторы иммунного ответа (цитокины).
Т-лимфоциты так же, как и В-клетки, несут на мембране антигенспецифические рецепторы, принципиально отличные от иммуноглобулиновых рецепторов В-клеток.
В индукции клеточного иммунного ответа важную роль (как и в реакциях гуморального типа) играют макрофаги, перерабатывающие антиген, который затем активирует Т-лимфоцит. Кроме того, макрофаг выделяет медиаторы, стимулирующие пролиферацию и дифференцировку Т-клеток. Если Т-лимфоцит присоединил соответствующий антиген, то в присутствии необходимых факторов (факторы макрофагов, кооперация клеток и т.д.) начинается пролиферация, в результате которой возникает клон специфических Т-клеток. Параллельно с этим продолжается клеточная дифференцировка в Т-эффекторы или в Т-клетки памяти.
Иммунизацию, вызванную контактом с антигеном и связанную с развитием иммунного ответа клеточного типа, принято называть сенсибилизацией. Этот термин используется как для обозначения самого процесса, так и для характеристики обусловленного им состояния.
Т-лимфоциты, активированные обработанным антигеном и макрофагальными факторами приобретают способность к выработке IL-2, который стимулирует другие Т-клетки (предшественники клеток-киллеров, супрессоров, хелперов) в том случае, если примерно за день до этого антиген и макрофагальные факторы стимулировали их к выработке соответствующих IL-2-рецепторов. В других случаях активированные антигеном Т-лимфоциты оказывают стимулирующее (хелперы) или ингибирующее (супрессоры) действие на клетки-индукторы.
Иммунные реакции клеточного типа играют важную роль во многих защитных реакциях организма, а также при различных видах патологии. К ним можно отнести:
реакции клеточного типа на внутриклеточные микроорганизмы, прежде всего вирусы, грибки и бактерии;
цитотоксические эффекты лимфоцитов на пересаженные клетки тканей и органов;
разрушение опухолевых клеток активированными Т-лимфоцитами;
реакции гиперчувствительности замедленного типа (ГЗТ), клеточно-опосредованные формы аллергических реакций;
реакции клеточного типа при аутоиммунных расстройствах.
Для этих разнообразных реакций клеточного типа характерно одно общее свойство: Т-лимфоциты в этих реакциях выступают в конечном итоге в качестве клеток-индукторов, которые в отличие от плазматических клеток при определенных условиях могут опять превращаться в малые лимфоциты – клетки памяти. Действие Т-лимфоцитов-эффекторов может базироваться как на прямой цитотоксичности (киллеры), так и на активности выделяемых лимфоцитами цитокинов, влияющих на соответствующие клетки-мишени, вызывая изменение их активности.
3. Неспецифическая защита организма
Сопротивляемость организма складывается из 2 линий защиты:
первая линия неспецифической защиты – поверхностные анатомические барьеры (эпителий кожи и слизистых оболочек), находящиеся на границе внутренней и внешней среды. Физико-химические и биологические свойства эпителия, а также выделяемые на поверхность эпителия секреторные вещества и клетки не позволяют патогенам попасть во внутреннюю среду организма.
вторая линия неспецифической защиты – комплекс клеточных и гуморальных неспецифических факторов, к которому относятся фагоцитирующие клетки, комплемент, интерфероны, кинины и некоторые другие вещества, а также естественные АТ (Аг-независимые) и естественные киллеры. Эта линия встречает патоген когда он преодолевает поверхностный барьер и оказывается во внутренней среде организма.
В совокупности обе линии защиты составляют врождённые, естественно присущие организму, т.е. конституциональные факторы.
Эпителий кожи и слизистых оболочек эффективно защищает организм от различных патологических воздействий. К факторам, определяющим защитную функцию эпителия, относятся:
§ целостность эпителия. Неповреждённый эпителий для патогенов, как правило, не проницаем. Необходимое условие проникновения многих патогенов во внутреннюю среду – нарушение целостности эпителия (например, микротравмы) или наличие на поверхности эпителиальных клеток рецепторов для прикрепления ряда патогенов;
§ регенерация эпителия. Любой поверхностный (покровный) эпителий характеризуется быстрой и эффективной регенерацией из собственных стволовых клеток, что обеспечивает восстановление целостности пласта эпителия;
§ толщина эпителия. Кожа с поверхности покрыта эпидермисом – толстым многослойным эпителием, что само по себе является барьером. Многослойный эпителий покрывает также изнутри ротовую полость, глотку, пищевод, мочевыводящие пути, влагалище, выводные протоки желёз с внешней секрецией;
§ проницаемость эпителия. Эпидермис и другие многослойные эпителии не проницаемы как для полярных, так и для неполярных веществ. Проницаемость однослойных эпителиев ЖКТ, дыхательных путей, респираторного отдела лёгких, маточных труб, матки определяется как характером их строения, так и выполняемыми функциями;
§ характер поверхности эпителия. Эпидермис покрыт с поверхности сплошным слоем ороговевших кератиноцитов, это слой полностью блокирует проникновение как клеток, так и полярных и неполярных веществ. В то же время на поверхности однослойных эпителиев слизистых оболочек всегда находится слизь, предупреждающая повреждение пласта эпителия и фиксирующая посторонние частицы. Во многих слизистых оболочках на поверхности части клеток имеются мерцательные реснички, обеспечивающие перемещение слизи (мукоцилиарный транспорт);
§ секреты. На поверхность эпидермиса поступают секреты сальных желёз, усиливающих непроницаемость слоя ороговевших кератиноцитов, а на поверхность эпителия слизистых оболочек – бактерицидные и бактериостатические вещества (например, лизоцим, миелопероксидаза, лактоферрин) и молекулы секреторного IgA. В некоторых органах секретируются органические (молочная, кожа) и неорганические (соляная, желудок) кислоты или бикарбонат (двенадцатиперстная кишка), существенно изменяющие pH, что губительно для многих микроорганизмов;
§ клетки иммунной системы в эпителии. В эпидермисе 3% всех клеток – происходящие из костного мозга антигенпредставляющие клетки Лангерганса, относящиеся к системе мононуклеарных фагоцитов. На поверхности альвеол лёгкого всегда мигрируют альвеолярные макрофаги. Между эпителиальными клетками слизистой оболочки ЖКТ и воздухоносных путей присутствуют лимфоциты, выполняющие иммунную защитную функцию.
Фагоцитоз – процесс поглощения фагоцитами микроорганизмов, других клеток, фрагментов некротизированной ткани и чужеродных частиц.
Фагоцитоз состоит из четырёх последовательных стадий: хемотаксис, прикрепление к объекту, его поглощение и уничтожение.
Фагоциты выполняют не только защитные (поглощают и разрушают чужеродные агенты), но и дренажные функции (удаляют погибшие и деградировавшие структуры). К фагоцитам относятся:
· микрофаги – клетки миелопоэтического ряда (полиморфноядерные лейкоциты);
· макрофаги – клетки мононуклеарной фагоцитирующей системы (моноциты, тканевые макрофаги, клетки Лангерганса эпидермиса, микроглия ЦНС, альвеолярные и перитонеальные макрофаги и др.).
На поверхности этих клеток расположены специальные рецепторы, предназначенные для распознавания и проведения процесса фагоцитоза. Эти рецепторы распознают неантиген-связывающий участок иммуноглобулинов или других молекул, входящих в состав иммунной системы организма-хозяина. Антитела и белки комплемента в плазме окружают поверхность клетки микроорганизма, после чего микроорганизм связывается с рецептором фагоцита (опсонизация) и начинается фагоцитарный процесс. Захват опсонизированных частиц происходит по механизму молнии (застёжки на одежде), в котором частица сначала связывается с Fc-рецептором на поверхности фагоцита. Затем следует последовательное соединение с другими поверхностными рецепторами клетки. В ходе фагоцитоза образуются большие эндоцитозные пузырьки – фагосомы. Фагосомы сливаются с лизосомами и формируют фаголизосомы. Если поглощение микроорганизмов заканчивается их внутриклеточным перевариванием, то фагоцитоз рассматривают как завершённый. В противном случае процесс рассматривают как незавершённый фагоцитоз.
Фагоцитоз индуцируют сигналы, воздействующие на рецепторы в плазмолемме фагоцитов. Механизмы активации микро- и макрофагов принципиально одинаковы. Активирующими стимулами для неспецифического (конституционального) фагоцитоза могут быть бактериальные продукты (например, липополисахариды, N-формиловые пептиды и др.), компоненты комплемента (например, С3 и С5) и многие цитокины, для спицифического (иммунного) – антитела опсонизирующие фагоцитируемую частицу.
Система комплемента – группа по меньшей мере 26 сывороточных белков (компонентов комплемента), опосредующих защитные реакции при участии гранулоцитов и макрофагов. Компоненты комплемента обозначают буквами латинского алфавита C, B и D с добавлением арабской цифры (номер компонента) и дополнительных строчных букв. Компоненты системы участвуют в реакциях свёртывания крови, вызывают лизис (разрушение) бактерий и инфицированных вирусами клеток. В норме компоненты системы находятся в неактивной форме. Активация комплемента приводит к поочередному (каскадному) появлению его активных компонентов в серии протеолитических реакций, стимулирующих защитные процессы. Основныефункции компонентов комплемента в защитных реакциях – стимуляция фагоцитоза и нарушениецелостности клеточных стенок микроорганизмов мембраноповреждающим комплексом (особенно у видов, устойчивых к фагоцитозу), а также индукция синтеза медиаторов воспалительного ответа. Активация компонентов комплемента может происходит по классическому и альтернативному путям.
Естественные киллеры (NK-клетки). Эту популяцию составляют большие зернистыелимфоциты, элиминирующие опухолевые клетки, а также клетки, инфицированные вирусами и некоторыми бактериями и простейшими. В отличие от цитотоксических лимфоцитов, способность NK-клеток к цитолизу связана с самостоятельным распознаванием «своё-чужое» на поверхности мишени. NK-клетки уничтожают клетку-мишень после установления с ней прямого контакта при помощи специальных белков – перфоринов, которые встраиваются в мембрану чужеродной или трансформированной клетки, образуя в ней «дыру», приводящую к осмотическому лизису.
Интерфероны. Система интерферона (ИФН) – важнейший фактор неспецифической резистентности организма. Важнейшие их функции: антивирусная, противоопухолевая, иммуномодулирующая и радиопротективная.
Выделяют 4 типа (α, β, γ, ω):
α-ИФН (лейкоцитарный ИФН) вырабатывается преимущественно В-клетками, а также Т-лимфоцитами, NK-клетками и макрофагами при вирусной инфекции; мишени: Т- и В-лимфоциты, NK-клетки;
β-ИФН (ИФН фибробластов) вырабатывается фибробластами при тех же состояниях, что и α-IF; мишени: Т-лимфоциты и кроветворные клетки;
γ-ИФН (иммунный ИФН) вырабатывается NK-клетками и активированными антигенами или митогенами, Т-лимфоцитами преимущественно при воспалительных, аутоиммунных состояниях; индуцирует экспрессию гликопротеинов классов антигенов гистосовместимости, обладает противовирусным эффектом, модулирует синтез Ig и цитокинов, усиливает антибактериальную и противоопухолевую активность макрофагов, стимулирует дифференцировку миелоидных ростков.
Таким образом, различные факторы неспецифической защиты организма функционируют независимо от специфических АТ и комплексов «Аг-АТ». Именно поэтому эти факторы неспецифичны, конститутивны. В тех же случаях когда происходит распознавание чужеродных Аг, выработка АТ, специфичных к этим Аг, а также другие иммунные реакции, говорят о реализации специфической (иммунной) защиты.