Мария Кондратова
Невидимый страж. Как иммунитет защищает нас от внешних и внутренних угроз
Глава 10
ЦИТОКИНЫ – МОЛЕКУЛЫ НА ВСЕ СЛУЧАИ ЖИЗНИ
Интерференция (физика) – взаимное увеличение или уменьшение результирующей амплитуды двух или нескольких когерентных волн при их наложении друг на друга.
Википедия
В 1957 году вирусологи англичанин Алик Айзекс и швейцарец Жан Линдеман, сотрудники Национального института медицинских исследований в Лондоне, столкнулись с непонятным явлением: часть мышей в группе, которую они заражали определенным вирусом, не заболевали. Мыши были из одной генетической линии, так что данный эффект невозможно объяснить различающимися комбинациями генов, которые определяют неодинаковую чувствительность к патогенам в диких популяциях животных.
Поиски причин устойчивости части мышей к данному вирусу показали, что на тот момент животные уже были носителями другой вирусной инфекции. Так выяснилось, что в организме мышей (и других млекопитающих, включая человека) присутствие одного вируса препятствует размножению другого. Явление антагонизма вирусов было названо интерференцией (от англ. interference – помеха, препятствие). Последующие наблюдения уточнили наши знания об этом эффекте. Так, оказалось, что, для того чтобы интерференция проявилась в полной мере, оба вируса должны попасть в организм практически одновременно или, во всяком случае, с интервалом не более 24 часа.
Позже было установлено, что такой антагонизм вирусов связан с активностью особой группы белков, которые, недолго думая, назвали интерферонами (IFN). Различают несколько вариантов интерферонов: альфа, бета и гамма. Помните систему распознавания ДНК cGAS-STING, о которой мы говорили в главе, посвященной распознанию «своего» и «чужого»? Именно она и похожие на нее системы запускают синтез интерферонов в зоне воспаления, а интерфероны, в свою очередь, запускают антивирусный ответ. Кроме того, интерфероновый сигнал делает клетки более устойчивыми к проникновению вирусных частиц. Именно поэтому в случае введения двух и более вирусов с небольшим интервалом срабатывает правило «кто первый встал, того и тапки». Первый вирус, пробравшийся в организм, пока иммунитет еще «спит», успевает захватить сколько-то здоровых клеток. Однако при этом он запускает «интерфероновую сигнализацию» и тем самым лишает своих опоздавших товарищей шанса попасть в клетки, поскольку иммунная система теперь настороже.
Открытие интерферонов в 1957 году стало «первой ласточкой» нового направления иммунологии, изучающего взаимодействия иммунных клеток. В последующие десятилетия было обнаружено множество других белков, влияющих на активность иммунных клеток. Эти белки структурой и функциями немного отличаются от интерферонов, и в 2019 году для них было предложено новое объединяющее название – интерлейкины. Краткое имя интерлейкина записывается как IL плюс номер, например IL10 – интерлейкин 10.
Интерлейкины и интерфероны – две самые большие группы иммунных белков-посредников, цитокинов, хотя к ним относятся и некоторые белки из других классов, например TNF и TGFB. Сегодня известно около сотни цитокинов, однако в рамках данной книги мы постараемся ограничиться упоминанием лишь десятка наиболее изученных молекул, играющих критическую роль в формировании тех или иных иммунных реакций.
До сих пор мы говорили лишь об одной роли цитокинов – их участии в активации иммунных клеток и иммунного ответа. Но в войне с микробами, как и в любой другой, важно не только быстро начать, но и вовремя остановиться. Иммунитет необходимо не только активировать, но и обуздывать. Впрочем, это же относится практически ко всем биологическим функциям, ведь наше тело стремится поддерживать гомеостаз – постоянство своей внутренней среды. Этот термин предложил американский физиолог Уолтер Кеннон в 1932 году в книге «Мудрость тела» (The Wisdom of the Body). Для того чтобы добиться этого постоянства, организм использует регуляторные системы, основанные на принципе отрицательной обратной связи.
Классический пример – регуляция уровня сахара в крови с помощью двух гормонов-антагонистов: инсулина и глюкагона. У здорового человека уровень сахара составляет 3,6–5,8 ммоль/л, и, пока он соответствует этим значениям, все в порядке. Углеводы присутствуют в крови не просто так. Глюкоза нам необходима и постоянно расходуется, уровень сахара снижается. К счастью, у организма есть резервы, чтобы его восполнить. Углеводы запасаются в печени. Когда уровень сахара снижается, поджелудочная железа начинает выделять гормон глюкагон. Он посылает клеткам печени сигнал перестать запасать глюкозу и начать понемногу выпускать ее назад в кровь, и уровень сахара возвращается в норму. Именно этот механизм позволяет нам «продержаться» в паузах между приемами пищи. Но вот мы пообедали, и уровень сахара в крови буквально за несколько минут резко поднялся, а это по многим причинам тоже нехорошо. Высокий уровень сахара служит сигналом для синтеза другого гормона – инсулина. Инсулин дает команду клеткам печени начать запасать глюкозу «на черный день». Клетки печени выбирают излишки углеводов из крови – баланс восстанавливается.
Аналогичная система сдержек и противовесов существует и в цитокиновой регуляции иммунного ответа. Все цитокины можно условно разделить на две группы: воспалительные (например, интерлейкины 1, 2, 12, TNF, интерферон-γ) и противовоспалительные (такие как интерлейкин 10, TGFB). Первые активируют иммунный ответ, вторые его тормозят. (На этом самом месте коллеги-иммунологи имеют полное право выразить негодование и назвать подобное описание неоправданным упрощением. Спокойствие, только спокойствие! Позже мы добавим деталей в эту и впрямь несколько схематичную картину. Пока нам важнее уловить принцип.)
Представьте себе активность иммунной системы в виде костра, разожженного туристами в лесу. Чтобы заставить его гореть ярче, льют жидкость для розжига, чтобы пригасить, используют воду – и таким образом поддерживают интенсивность пламени на нужном уровне.
Примерно так же уравновешивают друг друга воспалительные и противовоспалительные цитокины. Если баланс между ними нарушается в пользу противовоспалительных цитокинов, развивается иммунодефицит – иммунный ответ оказывается подавлен, и организм становится необыкновенно чувствителен к любой инфекции. Это довольно опасное состояние, но иногда в него вводят специально. Например, пациенты после пересадки органов должны еще несколько лет принимать специальные препараты, снижающие иммунный ответ, чтобы избежать отторжения чужеродной ткани. Если же баланс нарушается в противоположную сторону, может развиться цитокиновый шторм. В первом приближении его можно рассматривать как «приступ помешательства» у иммунных клеток, когда они одновременно получают слишком много активирующих сигналов.
Представьте себе полицейского, которому во время захвата опасных преступников одно начальство приказывает: «Немедленно вперед!», другое: «Прячься и выжидай!», а третье: «Стреляй!» Человек, обладая свободой воли, еще может как-то выкрутиться, проигнорировав часть противоречивых указаний. Но химическая природа сигналов, которыми обмениваются клетки иммунной системы, исключает подобный вариант. В этом случае иммунные клетки буквально «идут вразнос», производя все больше и больше активных молекул. Цитокиновый шторм – когда ничем не сдерживаемые лейкоциты производят цитокины, побуждающие производить еще больше цитокинов, – это пример положительной обратной связи. Впрочем, слово «положительная» пусть не вводит вас в заблуждение, поскольку ничего хорошего эта связь организму в данном случае не сулит. Именно с разрушениями, которые несет цитокиновый шторм, связана большая часть осложнений и смертей при коронавирусной инфекции.
Цитокиновый шторм – смертельно опасное состояние, приводящее к быстрому отказу многих внутренних органов. Всякий раз, когда меня спрашивают, как усилить иммунный ответ, я рассказываю об этом явлении и пытаюсь донести до слушателя простую мысль: иммунный ответ не должен быть слабым, не должен быть сильным – он должен быть прежде всего адекватным. Взаимодействие элементов иммунной системы, реализуемое с помощью цитокинов, служит именно этой цели. Всякий раз, когда в книге будет возникать тема взаимодействия иммунных клеток, мы снова и снова будем вспоминать об этих молекулах.
«Общение» с помощью цитокинов и хемокинов появилось еще на уровне древнего, врожденного иммунитета, однако более молодая с эволюционной точки зрения система адаптивного иммунитета также взяла ее на вооружение. И хотя у узких специалистов, какими являются В- и Т-лимфоциты, есть свои особенные цитокины и хемокины, в основном они используют те же сигнальные молекулы, что и фагоциты. Это обеспечивает согласованность действий самых разных типов клеток во время иммунного ответа.
Глава 11
ТИПИЧНЫЕ ФАГОЦИТЫ
Робин-Бобин
Кое-как
Подкрепился
Натощак:
Съел теленка утром рано,
Двух овечек и барана,
Съел корову целиком
И прилавок с мясником,
Сотню жаворонков в тесте
И коня с телегой вместе,
Пять церквей и колоколен –
Да еще и недоволен!
Английская песенка в переводе С. Я. Маршака
Фагоциты – клетки, способные к фагоцитозу (захвату и поглощению частиц), – основа врожденного иммунитета. Они те самые «старые и опытные копы», которые уже сотни миллионов лет защищают многоклеточные организмы от непрошеных вторжений. В этой книге мы говорим об иммунной системе человека, но важно понимать, что млекопитающие, и даже шире – позвоночные животные, отнюдь не первые, кому понадобилась защита. От инфекций страдают и беспозвоночные: моллюски, насекомые, ракообразные. Опытный пасечник может часами рассказывать о болезнях пчел, а ведь это лишь один вид насекомых из миллионов. Именно фагоциты, как показал И. И. Мечников, выступают первой линией иммунной защиты у многоклеточных организмов.
Две самые распространенные и наиболее хорошо изученные разновидности фагоцитов в человеческом организме – нейтрофилы и макрофаги. Именно на их примере мы рассмотрим типичные черты этой обширной группы клеток врожденного иммунитета.
Нейтрофилы играют важную роль в защите организма от бактериальных и грибковых инфекций и относительно небольшую – в защите от вирусов. Для них характерна быстрая, буквально в течение минут, активация, тогда как у макрофагов этот процесс занимает несколько часов. Именно нейтрофилы первыми мигрируют из крови в очаг воспаления. Это клетки «быстрого реагирования», запускающие первичный иммунный ответ. Однако и длится их активация тоже недолго. Если нейтрофилам не удается с наскока справиться с заражением, то к процессу постепенно подключаются макрофаги, а за ними и другие иммунные клетки.
Нейтрофилы легко опознать в микроскоп по их сегментированному ядру, похожему на связку из нескольких (обычно трех) сарделек. Такие зрелые сегментоядерные нейтрофилы составляют около половины общего количества лейкоцитов крови. Еще 1–5 % в норме приходится на юные, функционально незрелые палочкоядерные нейтрофилы.
Хотя нейтрофилы являются фагоцитами, их главное оружие против бактерий и грибов – литические гранулы, содержимое которых они высвобождают в окружающую среду при активации. Высокая скорость мобилизации нейтрофилов дополняется их способностью ускорять метаболические процессы, улавливать бактерии с помощью нетоза и устраивать «кислородный взрыв» в течение нескольких секунд после встречи с патогенами. Все это делает нейтрофилы идеально приспособленными для осуществления ранних этапов иммунной защиты. Гной в ране – это главным образом остатки погибших нейтрофилов.
Вторая важнейшая разновидность фагоцитов – это клетки-макрофаги, похожие на крупных, вечно голодных амеб. Именно их открыл и описал Мечников. Раньше считалось, что все макрофаги в организме имеют одинаковое происхождение, но в последние годы стало ясно, что это не так. В зависимости от происхождения различают две основные группы макрофагов.
Первая группа – это долгоживущие тканевые (резидентные) макрофаги, которые формируются еще в эмбриогенезе и всю свою жизнь проводят в определенном органе или ткани. К ним относят купферовские клетки печени, микроглию центральной нервной системы, альвеолярные макрофаги легких, перитонеальные макрофаги брюшной полости и другие.
Вторая группа – это макрофаги моноцитарного (костномозгового) происхождения. Время их жизни исчисляется всего лишь днями и неделями. В отличие от нейтрофила, который одинаково выглядит и в крови, и в месте воспаления, макрофаги сильно меняют внешний облик, когда покидают кровяное русло. Округлая клетка крови с крупным ядром бобовидной формы (моноцит), мигрируя в ткани, превращается в клетку-амебу – собственно макрофага, раза в полтора больше. Количество макрофагов моноцитарного происхождения резко увеличивается при воспалении и нормализуется после его окончания. В периферической крови моноциты составляют 1–10 % всех лейкоцитов.
Интересно, что макрофаги различаются не только происхождением, но и поведением. Те, что произошли от моноцитов, имеют высокую подвижность. В отличие от тканевых макрофагов они активно мигрируют в зону воспаления. В 2018 году была опубликована статья, авторы которой показали, что именно резидентные макрофаги кожи, а не фибробласты, как считалось раньше, удерживают чернила татуировок. Это дает некоторое представление о «постоянстве» тканевых макрофагов.
Превращение моноцита в макрофаг происходит под влиянием цитокинов. Основной цитокин, регулирующий этот процесс, – белок со сложным названием «колониестимулирующий фактор макрофагов» (macrophage colony-stimulating factor; M – CSF). Важнейшей функцией макрофагов, кроме собственно фагоцитоза, является синтез разнообразных цитокинов и хемокинов. Именно набор цитокинов, выделяемых макрофагами, во многом предопределяет активность других иммунных клеток в зоне воспаления. В некоторых публикациях эти клетки называют дирижерами иммунного ответа, чтобы подчеркнуть их важную роль.
Говоря об иммунном ответе, мы, как правило, используем воинственные метафоры: борьба, уничтожение, подавление. Но мало уничтожить врага, будь то вирус, бактерия или другой паразит. Организм должен еще и исправить нанесенные ему повреждения. Регенерация поврежденных тканей и заживление ран тоже находятся под контролем клеток иммунной системы: она не только «воин», но еще и «целитель». То, какую именно роль возьмут на себя макрофаги, зависит от баланса цитокинов в окружающей среде. Если воздействовать на клетку активирующими цитокинами, такими как TNF и IFNG, то мы получим активный, атакующий тип макрофагов М1. Если же поместить ее в среду, богатую иммуносупрессивными (противовоспалительными) цитокинами, такими как IL10 и TGFB, то клетка меняет свой тип на М2. Она перестает атаковать и переключается на производство факторов роста – молекул, ускоряющих рост и заживление тканей. Это явление, при котором одни и те же иммунные клетки могут в зависимости от контекста выступать в разных ролях, называется пластичностью. Сам процесс перепрограммирования клеток с одного типа активности на другой в иммунологии часто называют поляризацией. Исследование данного феномена началось с макрофагов, позже было показано, что он в той или иной степени присущ практически всем иммунным клеткам.
Кстати, клетки-фагоциты даже представлены в массовой культуре! В японском аниме-сериале «Клетки за работой!», снятом в 2018–2021 годах, один из главных героев – храбрый нейтрофил U-1146. Все персонажи этого фильма антропоморфны. Нейтрофилы похожи на стройных остролицых воинов, а макрофаги выглядят как очаровательные нежные барышни, которые любят пить чай, присматривают за порядком, убирая тела погибших, работают няньками у маленьких клеток крови, а также размахивают в бою топорами и дубинками. Несмотря на очевидную условность, этот мультфильм довольно точно (насколько это возможно в данном жанре) показывает процессы, происходящие в человеческом теле на клеточном уровне.
Кроме нейтрофилов и макрофагов к фагоцитам относятся эозинофилы, базофилы и тучные клетки, играющие важную роль в аллергических реакциях. Их свойства мы подробно рассмотрим в соответствующей главе. Особое место среди фагоцитов занимают дендритные клетки, они служат посредниками между системой врожденного иммунитета и Т-лимфоцитами. Чтобы в полной мере понять их функции, нам придется сперва познакомиться с тонкостями адаптивного иммунного ответа. Забежать вперед, чтобы вернуться назад, как и было обещано.
Покончив со старыми добрыми «специалистами широкого профиля», которыми в той или иной степени являются все клетки врожденного иммунитета, перейдем теперь к «молодым экспертам» лимфоцитам. Мы попытаемся понять, какие механизмы обеспечивают высокую точность адаптивного иммунного ответа и какие эволюционные преимущества он дает позвоночным, в том числе и нам с вами. В следующих главах будет меньше экшена и задорных метафор и больше зубодробительный биологии. Но зато, разобравшись с ней, вы с легкостью поймете все остальное. Принципы функционирования клеток приобретенного иммунитета – самое сложное, что есть в этой книге (а возможно, и во всей иммунологической науке), дальше будет проще и увлекательней, обещаю!
Глава 12
ОТКРЫТИЕ ГУМОРАЛЬНОГО ИММУНИТЕТА – ТОКСИНЫ И АНТИТОКСИНЫ
– У него настоящий дифтерит? – спросила шепотом Ольга Ивановна.
– Тех, кто на рожон лезет, по-настоящему под суд отдавать надо, – пробормотал Коростелев, не отвечая на вопрос Ольги Ивановны. – Знаете, отчего он заразился? Во вторник у мальчика высасывал через трубочку дифтеритные палочки. А к чему? Глупо… Так, сдуру…
А. П. Чехов. Попрыгунья
Иммунитет, как мы уже знаем, бывает врожденный и приобретенный. В приобретенном иммунитете, в свою очередь, выделяют гуморальный и клеточный, реализуемые В- и Т-лимфоцитами соответственно. Гуморальный иммунитет был описан первым, так что с него мы и начнем.
Человеческая память несправедлива и даже не пытается выглядеть таковой. О каком бы историческом событии ни шла речь, для учебников выбирается пара-тройка самых ярких имен, остальные же тонут в безвестности. В относительной безвестности, разумеется, ведь специалисты о них знают. Но сколько их, тех специалистов…
В «школьную» историю иммунологии вошли имена Пастера, Мечникова и Эрлиха. Но если Пастер действительно первым разработал вакцину против бешенства, а Мечников первым обнаружил роль фагоцитоза в защите многоклеточных организмов, то теория гуморального иммунитета, разработанная Эрлихом, во многом базировалась на открытиях его предшественников. Вот о них и следует рассказать в первую очередь.
Как мы уже говорили и еще не раз повторим, иммунология начинала свое развитие не как область фундаментальной науки. Скорее, это был набор новаторских медицинских методик, молекулярные механизмы которых выяснили много позднее. Изучение гуморального иммунитета началось с исследования дифтерии. Это был бич пострашнее бешенства и даже туберкулеза. Бешенство не вызывало эпидемий, туберкулез, как стало ясно уже в XIX веке, хотя встречался и в высшем обществе, но был все же болезнью бедности, недоедания, плохих условий жизни. Дифтерия не щадила ни богатых, ни бедных, не обходила стороной ни хижины, ни дворцы. От этой болезни, например, умерли дочь королевы Виктории Алиса и внучка Мария.
В Испании дифтерию назвали garrotillo – «удавка». Смерть от дифтерии не была легкой – больной умирал от мучительного удушья. Болели главным образом дети и… врачи, пытавшиеся их спасти. В конце XIX века канадский врач Уильям Ослер писал, что он не знает заболевания, убившего больше медиков, чем дифтерия. В позапрошлом веке из 100 заболевших дифтерией детей гарантированно умирало не менее 50. Единственным способом лечения была трахеотомия – разрез трахеи через горло, позволявший задыхающемуся больному начать дышать. Так удавалось спасти хотя бы некоторых.
Бактерию, вызывающую дифтерию, описал немецкий микробиолог Фридрих Лёффлер. Именно он первым выделил ее в чистом виде и культивировал для дальнейших исследований. Это была непростая задача, ведь слизистая горла человека – настоящий рассадник самых разных бактерий, и нужно было определить, какая из них «та самая». Именно Лёффлер на примере дифтерийной бациллы показал верность четырех постулатов Коха о том, как установить, что определенный микроорганизм является возбудителем инфекционного заболевания:
■ микроорганизм постоянно встречается в организме больных людей (или животных) и отсутствует у здоровых;
■ микроорганизм должен быть изолирован от больного человека (или животного), и его штамм должен быть выращен в чистой культуре;
■ при заражении чистой культурой микроорганизма здоровый человек (или животное) заболевает;
■ микроорганизм должен быть повторно изолирован от экспериментально зараженного человека (или животного).
Экспериментальным животным для проверки постулатов Коха послужили морские свинки. К счастью для человечества, они оказались чувствительны к этой болезни. Имея чистую культуру бактерий и подходящее модельное животное, ученые начали искать лекарство от дифтерии.
Одним из первых исследователей дифтерии стал доктор Эмиль Ру – ученик и соратник Пастера, участвовавший и в разработке знаменитой вакцины против бешенства. Ру удалось доказать, что тяжелые симптомы болезни, включая удушье, вызывали не сами бактерии, а какое-то выделяемое ими вещество – дифтерийный токсин. Ученый продемонстрировал, что впрыскивание его животным ведет к появлению тяжелых признаков заболевания даже в отсутствие бактерий. (Позднее стало ясно, что использование токсинов – типичная тактика многих болезнетворных микроорганизмов. Холерный вибрион, например, также опасен для человека не сам по себе а именно из-за выделяемого им токсина, нарушающего функционирование клеток кишечника.)
Следующий шаг в изучении болезни сделали ученые из Германии. В 1890 году Адольф Эмиль фон Беринг вместе с японским коллегой Сибасабуро Китасато, работавшие в созданном Робертом Кохом Институте гигиены, показали, что, если сыворотку крови выздоровевших после дифтерии морских свинок ввести заболевшим животным, те тоже выздоравливают. Из этого был сделан вывод, что в крови переболевших животных появляется какой-то антитоксин, который нейтрализует токсин дифтерийной палочки.
Рождественской ночью 1890 года первые больные дифтерией дети получили лечебную сыворотку. Многие из них были спасены в результате этого смелого медицинского эксперимента. Его успех был оглушительным, и сразу же вслед за Берингом Эмиль Ру вместе с Огюстом Шаллу начал сывороточную терапию 300 больных детей в детской больнице в Париже.
В этот момент к исследованиям дифтерийного антитоксина присоединился наш герой – Пауль Эрлих. Именно практичный Эрлих сумел в 1897 году наладить масштабное производство сыворотки, создать стандарты определения ее концентраций, рассчитать правильные дозировки антитоксина и повысить эффективность вакцины. От морских свинок как от производителей антитоксина к тому времени уже практически отказались. Для производства лекарственного средства в промышленных масштабах требовались животные покрупнее, ими стали лошади.
Трудно оценить, кто из упомянутых выше ученых (а были и другие) внес больший вклад в спасение человечества от смертельной болезни. В памяти людской их имена, к сожалению, запечатлелись крайне неравномерно. Пауль Эрлих не только получил Нобелевскую премию, но и попал во все школьные учебники. Адольф Эмиль фон Беринг менее известен, однако вошел в историю науки как первый лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине. А вот имя Эмиля Ру так и осталось малоизвестным широкой публике за пределами Франции. Этого великого ученого можно назвать одним из самых больших нобелевских «неудачников»: с 1901 по 1932 год его номинировали на премию более 100 раз, но безрезультатно. А ведь участие в создании вакцины против бешенства и открытие дифтерийного токсина – это лишь малая часть его научных заслуг. Ру также принимал участие в разработке вакцины от сибирской язвы, писал научные работы по холере птиц, сифилису, пневмонии, столбняку, туберкулезу. Кроме того, именно под его многолетним руководством Пастеровский институт стал мировым микробиологическим центром, каковым остается и по сей день. Но, как было сказано в начале этой главы, историческая память несправедлива.
Впрочем, фон Беринг отдал должное своим предшественникам. В своей нобелевской речи он сказал, что сывороточная терапия (или, как ее еще называли, серотерапия) была основана на теории, предложенной «Лёффлером в Германии и Ру во Франции, согласно которой бактерии Лёффлера не сами по себе вызывают дифтерию, а вырабатывают токсины, которые способствуют развитию болезни. Без этой предварительной работы Лёффлера и Ру не было бы сывороточной терапии дифтерии». Интересно, что на нобелевском банкете краткая речь в честь Беринга и ответная речь самого Беринга звучали на немецком, который до Второй мировой войны был таким же общепризнанным языком науки, каким сейчас является английский.
