Фрейдлин И. С. - Иммунная система и ее дефекты

И.С. Фрейдлин Иммунная система и ее дефекты

Введение

Структура, функции и регуляция иммунной системы

Организм здорового человека защищается от болезнетворных агентов с помощью разных физиологических механизмов. К числу таких защитных приспособлений относятся механические (кожа, слизистые оболочки) и химические (кислая среда желудка, жирные кислоты в составе пота, лизоцим в составе слезной жидкости и слюны) барьеры.

Во внутренней среде организма присутствуют клетки и молекулы, которые специализируются на защитной функции. Часть из них являются механизмами врожденного иммунитета, т.е. присутствуют в организме еще до встречи с каким-либо болезнетворным микроорганизмом или чужеродной молекулой. Их называют факторами неспецифической защиты, т.к. они защищают организм от разных экзогенных и эндогенных агрессий и их защитные функции лишены избирательности. Среди этих факторов неспецифической защиты особое место занимают фагоцитирующие клетки крови и тканей, а также особый класс лимфоцитов, получивших название: натуральные (естественные) киллеры. Неспецифическую защиту организма обеспечивают также многочисленные молекулы, продуцируемые и секретируемые вышеназванными клетками, лимфоцитами, клетками печени. Среди защитных молекул, циркулирующих в крови, наиболее подробно изучена система комплемента, а за последние годы описаны многочисленные цитокины: интерлейкины, интерфероны и др. [1]

Наряду с этим внутренняя среда организма защищена от проникающих в нее чужеродных макромолекул, в том числе от патогенных микробов, механизмами специфического иммунного ответа. Эти механизмы приобретаются организмом после контакта с конкретным чужеродным веществом, носящим название антиген. Действие этих механизмов строго избирательно и распространяется только на конкретный антиген, который индуцировал иммунный ответ. Реализация иммунного ответа является функцией высоко специализированной иммунной системы организма. Основные защитные функции иммунной системы распознавание и элиминацию чужеродных макромолекул осуществляют иммунокомпетентные клетки (лимфоциты), а также продуцируемые и секретируемые ими макромолекулы - антитела (иммуноглобулины). Специфический иммунный ответ является одним из компонентов общей системы защиты организма, в которой все вышеперечисленные клетки и макромолекулы взаимосвязаны. Местом функциональной кооперации всех перечисленных клеток и макромолекул служат органы и ткани иммунной системы организма [2].

Структура и функции органов иммунной системы

Различают первичные - центральные (костный мозг и тимус) и brnphwm{e - периферические (селезенка, лимфатические узлы, скопления лимфоидной ткани) органы иммунной системы. Все они взаимосвязаны системой кровообращения, лимфотока и единой системой иммунорегуляции.

Первичные - центральные органы иммунной системы

Центральные органы иммунной системы - костный мозг и тимус выполняют важнейшие функции, обеспечивая самообновление иммунной системы. В этих органах идут процессы пролиферации клеток-предшественников, их дифференцировка и созревание, вплоть до выхода в циркуляцию и заселения периферических органов иммунной системы зрелыми иммунокомпетентными клетками.

Костный мозг

Все клетки крови, в том числе и иммунокомпетентные клетки, происходят из полипотентной стволовой клетки, которая дает начало разным росткам кроветворения, в том числе миеломоноцитарному и лимфоцитарному. Направление дифференцировки ранних предшественников зависит от влияния их микроокружения, от влияния стромальных клеток костного мозга. К стромальным клеткам костного мозга относятся: фибробласты, адипоциты, эндотелиоидные и эпителиоидные клетки, а также клетки, подобные гладкомышечным. Стромальные клетки контролируют гемопоэз либо путем прямых контактов с клеткамипредшественниками, или через продукцию и секрецию цитокинов. Цитокины могут влиять на выбор пути дифференцировки или обеспечивать сигналы стимуляции, обеспечивающие дифференцировку по выбранному пути [15, 51].

Действие отдельных цитокинов на клетки-предшественники в условиях in vitro проявляется стимуляцией роста отдельных колоний, состоящих из лейкоцитов определенного типа. Отсюда их название - колониестимулирующие факторы: GM-CSF, G-CSF, M-CSF. Гранулоцитарно-моноцитарный фактор стимулирует пролиферацию ранних общих клеток-предшественников миело-моноцитопоэза. Гранулоцитарный и моноцитарный факторы стимулируют клеткипредшественники каждого из ростков. Еще более универсальным является так называемый мульти-CSF (интерлейкин-3), который стимулирует все ростки кроветворения. Продуцентами этих ростовых факторов и других цитокинов являются стромальные клетки костного мозга, макрофаги и активированные лимфоциты. Интерлейкин-1 и интерлейкин-6 являются синергистами колониестимулирующих факторов в стимуляции пролиферации клетокпредшественников или индуцируют продукцию ростовых факторов. Наряду с этим макрофаги и лимфоциты продуцируют ряд цитокинов, ингибирующих процессы пролиферации и дифференцировки клетокпредшественников. К таким ингибирующим цитокинам относятся: туморнекротизирующий фактор, интерферон-гамма, трансформирующий ростовой фактор. Очевидно, часть цитокинов вырабатывается в костном мозге постоянно (конститутивно) и участвует в регуляции функций костного мозга в нормальных условиях. Другая часть цитокинов продуцируется в ответ на индукцию для целенаправленного усиления продукции тех лейкоцитов, которые необходимы для замещения клеток, lnahkhgnb`mm{u в очаги воспаления, инфекции или опухолевого роста. Таким образом, основной функцией костного мозга является продукция всех клеток, участвующих как в неспецифической защите организма, так и в специфическом иммунном ответе. При этом часть клеток костного мозга участвуют в продукции регулирующих гемопоэз молекул-цитокинов и все они являются клетками-мишенями действия этих и других цитокинов [4].

У млекопитающих костный мозг выполняет дополнительную функцию, являясь местом созревания В-лимфоцитов. Стволовая клетка может дифференцироваться в сторону общего предшественника лимфоцитов, который может дать начало предшественникам В-лимфоцитов, предшественникам Т-лимфоцитов, а также предшественникам естественных киллеров. Один из продуктов стромальных клеток костного мозга - интерлейкин 7 преимущественно стимулирует процесс созревания В-лимфоцитов из костно-мозговых предшественников. Созреванию В-лимфоцитов способствуют также интерлейкины 3, 4 и 6, а ингибирует их созревание трансформирующий ростовой фактор - TGF. Незрелые Влимфоциты имеют поверхностные IgD и FcR, несут маркер CD10 и рецепторы для цитокинов: IL-3R и IL-7R. По мере пролиферации и дифференцировки В-лимфоциты приобретают поверхностные антигены гистосовместимости 2-го класса (MHC 2 класса), рецепторы для комплемента и поверхностные IgM. Созревание В-лимфоцитов, в отличие от Т-лимфоцитов, завершается в костном мозге и в кровь выходят малые лимфоциты, несущие на своей мембране все структуры, необходимые для участия в специфическом иммунном ответе [89].

Описано несколько генетически детерминированных заболеваний, связанных с нарушением дифференцировки стволовых клеток костного мозга, что ведет к отсутствию в организме клеток одной или более линий.

Несколько подобных синдромов объединяются под названием “тяжелый комбинированный иммунодефицит” - ТКИД (SCID). В основе ТКИД могут лежать самые разные молекулярные дефекты: гемопоэтического микроокружения, клеточных ферментов, необходимых для созревания и функционирования клеток, цитокинов или их рецепторов, поверхностных молекул, ответственных за кооперацию отдельных клеток, молекул внутриклеточных вторичных мессенджеров и регуляторов транскрипции генов. Один и тот же молекулярный дефект может проявиться разными нарушениями иммунологических функций. Примером может служить дефект аденозиндезаминазы (АДА) у части больных с наследственным синдромом ТКИД. АДА превращает пуриновые нуклеотиды аденозин и дезоксиаденозин в инозин и дезоксиинозин - соответственно. В отсутствие этого фермента количество внутриклеточного аденозина резко повышается, накапливаются токсичные концентрации АТФ, что препятствует созреванию Т- и В-лимфоцитов в костном мозге [15].

Приобретенные дефекты костномозгового иммунопоэза могут быть следствием: тотального ионизирующего облучения, приема цитостатиков (циклофосфамида или др.) или их сочетания.

До последнего времени единственным методом коррекции таких иммунодефицитов служила пересадка костного мозга от здорового донора. В случае приживления пересаженные стволовые клетки opnkhtephps~r и дают начало дифференцировке разных, в том числе и лимфоидных линий клеток. Однако пересадка костного мозга чревата тяжелыми осложнениями, включая «реакцию трансплантат против хозяина» (РТПХ) [68].

В последние годы для коррекции некоторых генетических дефектов были предложены методы генной терапии. Цель генной терапии - введение функционирующей копии гена, дефектного у данного пациента, в популяцию клеток самого пациента. Так, у пациента с дефектом АДА берут клетки костного мозга и in vitro вводят (трансфецируют) в эти клетки специально сконструированный методами генной инженерии полноценный ген АДА. Для введения - трансфекции данного гена (рекомбинантного участка ДНК) его предварительно присоединяют к ретровирусному вектору (носителю). Вектор внедряется в клетку, его ДНК вместе с добавленным геном АДА интегрирует в геном клетки. Трансфецированные клетки костного мозга возвращают в организм пациента. Использование клеток костного мозга самого больного позволяет избежать осложнений аллогенной трансплантации [22].

Тимус

Тимус (вилочковая железа) представляет собой единственный орган иммунной системы, подвергающийся быстрой возрастной инволюции. В течение первых 50 лет жизни ежегодно теряется по 3% истинно тимической ткани, которая постепенно замещается жировой и соединительной тканью. Соответственно снижается и продукция Т-лимфоцитов. Самая высокая продукция Т-лимфоцитов сохраняется до двух лет, а затем быстро падает. Однако следует отметить, что количество Т-лимфоцитов в циркуляции сохраняется на достигнутом уровне. Дело в том, что значительную часть популяции Т-лимфоцитов составляют долгоживущие клетки, которые не нуждаются в постоянном обновлении. Поэтому численность Тклеток может поддерживаться во взрослом организме и в отсутствие тимуса. Более того, зрелые Т-лимфоциты подвергаются так называемой «клональной экспансии», т.е. избирательной пролиферации в ответ на встречу со своим антигеном, за счет чего их численность возрастает. После создания пула периферических Т-лимфоцитов утрата тимуса уже не приводит к катастрофическому снижению иммунитета. В пользу этого говорят результаты иммунологического обследования взрослых людей, перенесших тимэктомию [15].

Лимфоциты, находящиеся в тимусе, называют тимоцитами. Они включают Т-лимфоциты на разных стадиях дифференцировки. Ранние предшественники Т-лимфоцитов из костного мозга поступают в корковый слой тимуса. Эти незрелые клетки еще не несут на поверхности маркеров, характерных для зрелых Т-лимфоцитов. Постепенно они мигрируют из коркового слоя тимуса в мозговой, постоянно контактируя с эпителиальными клетками, макрофагами и дендритными клетками и испытывая на себе влияние продуцируемых этими клетками медиаторов. В процессе продвижения в мозговой слой тимоциты поэтапно приобретают характерные для Тлимфоцитов поверхностные рецепторы и антигены. Зрелые Т-лимфо циты, экспрессирующие уже полные наборы поверхностных маркеров, включая маркеры субпопуляций CD4 или CD8, покидают тимус, поступают в циркуляцию, заселяют Т-зависимые зоны oephtephweqjhu органов иммунной системы.

Эпителиальные клетки тимуса синтезируют ряд пептидных гормонов, из которых наиболее изучены: тимулин, 1 и 4 тимозины, тимопоэтин (его активный пентапептид ТР5), сывороточный фактор тимуса. Показана способность этих полипептидов стимулировать экспрессию различных маркеров дифференцировки и функции Т-лимфоцитов. Очевидно, поэтапная дифференцировка Т-лимфоцитов в тимусе направляется и контролируется в значительной степени этими тимическими гормонами. Кроме того, процессы пролиферации и дифференцировки тимоцитов контролируются цитокинами. Часть цитокинов продуцируются стромальными клетками тимуса: интерлейкины 1, 3, 6, 7 (IL-1, IL-3, IL-6, IL-7), колониестимулирующие факторы (CSFs), туморнекротизирующий фактор (TNF), трансформирующий ростовой фактор бета (TGF). Другие цитокины продуцируют и секретируют сами тимоциты: интерлейкины 2, 3, 4 (IL-2, IL-3, IL-4), гамма-интерферон (IFN). IL-7 стимулирует пролиферацию тимоцитов на самой ранней стадии (TCR, CD3, CD4, CD8). Другие перечисленные цитокины, действующие в разных сочетаниях, усиливают процессы пролиферации. IL-4 стимулирует не только пролиферацию, но и созревание тимоцитов. IFN угнетает стимулированную IL-4 пролиферацию тимоцитов. Ингибитором пролиферации является также TGF [19].

В тимусе идут параллельно несколько процессов: пролиферация Т-лимфоцитов, их созревание и элиминация потенциально аутореактивных клеток. Контактируя с эпителиальными и другими клетками стромы тимуса, каждый тимоцит последовательно получает сигналы: пролиферации, изменения поверхностного фенотипа, перестройки (реарранжировки) генов для приобретения Т-лимфоцитами широкого «репертуара» специфичностей рецепторов, позитивной и негативной селекции, функционального созревания. Все эти процессы необходимы для превращения незрелого тимоцита в функционально полноценный Т-лимфоцит. Все эти процессы происходят на территории тимуса, только в разных его слоях и при участии разных стромальных клеток [16].

В тимусе идет постоянная пролиферация тимоцитов: из общего количества 2108 тимоцитов 20-25%, т.е. 5107 клеток заново образуются ежедневно при их делении. Отличительная черта тимуса новорожденных - очень высокий уровень пролиферации клеток: суточный прирост клеток соответствует массе самого органа. Но самое удивительное, что большая часть этих клеток не покидают тимуса, погибая на месте. Только 2-5%, т.е. 1106 из них в виде зрелых Т-лимфоцитов ежедневно покидают тимус, поступая в кровь и расселяясь в лимфоидных органах. Это значит, что 50106 т.е. 95-98% тимоцитов ежедневно погибают в тимусе путем индуцированного апоптоза (запрограммированной гибели).

Основная функция зрелых Т-лимфоцитов это распознавание чужеродных антигенных пептидов в комплексе («в контексте») с собственными антигенами тканевой совместимости на поверхности вспомогательных (антиген-презентирующих) клеток или на поверхности любых клеток-мишеней организма. Для выполнения этой функции Т-лимфоциты должны быть способны распознавать собственные антигены тканевой совместимости, специфичные для каждого индивидуума. Одновременно Т-лимфоциты не должны p`qongm`b`r| аутоантигенные пептиды самого организма, связанные с собственными антигенами тканевой совместимости. Между тем в процессе перестройки (реарранжировки) генов созревающих тимоцитов некоторые из них приобретают рецепторы Тклеток (РТК), специфичные именно в отношении антигенных пептидов самого организма, т.е. аутоантигенных пептидов. В связи с этим в тимусе параллельно с процессами пролиферации и созревания тимоцитов идут процессы их селекции - отбора нужных Т-лимфоцитов [77].

Селекция тимоцитов идет в два этапа. После того, как на индивидуальном тимоците экспрессируется РТК его уникальной специфичности, клетка вступает в этап позитивной селекции. Для того, чтобы выжить и вступить в следующие этапы развития, тимоцит должен проявить способность распознавать собственные антигены тканевой совместимости, экспрессированные на эпителиальных клетках коры тимуса. Существуют сотни разных аллелей антигенов тканевой совместимости, из которых лишь малая часть экспрессирована на клетках данного индивидуума. Из широчайшего «репертуара» специфичностей РТК лишь немногие подойдут для распознавания индивидуального набора антигенов тканевой совместимости данного организма. Тимоциты с такими «подходящими» РТК получают сигнал дальнейшей дифференцировки. Они отобраны на этапе позитивной селекции и вступают в следующий этап.

На границе коркового и мозгового слоев тимуса созревающие тимоциты встречаются с дендритными клетками и макрофагами. Профессия этих клеток - презентация (представление) антигенных пептидов в комплексе с собственными антигенами тканевой совместимости для распознавания Т-лимфоцитами. В данном случае эти клетки презентируют пептиды самого организма - фрагменты аутоантигенов, которые могут заноситься в тимус с током крови. В отличие от зрелого Т-лимфоцита, который при встрече с антигенным пептидом, специфичным для его РТК, получает сигнал активации, незрелые тимоциты в тимусе при распознавании специфичных для их РТК антигенных пептидов получают сигнал генетически запрограммированной смерти - апоптоза. Таким образом идет негативная селекция аутореактивных Т-лимфоцитов, которые подвергаются делеции, т.е. погибают путем индуцированного апоптоза.

В результате позитивной и негативной селекции из тимуса в кровоток и в лимфоидные органы поступают только такие Тлимфоциты, которые несут РТК (TCR), способные распознавать собственные антигены тканевой совместимости и не способные распознавать аутоантигенные пептиды в комплексе с собственными антигенами тканевой совместимости. Основные характерные для Тлимфоцитов поверхностные маркеры в процессе созревания клеток появляются на их мембране в определенной последовательности: CD2, CD3, CD5, CD28, TCR, CD4 и CD8. При окончательном созревании Т-лимфоциты приобретают один из вариантов поверхностного фенотипа: включающий или CD4, или CD8. Такие зрелые Т-лимфоциты берут на себя основные защитные функции в противовирусном и противоопухолевом иммунитете, выполняют важные регуляторные функции [63].

Среди генетически детерминированных заболеваний, объединенных под названием ТКИД, описана генетически dereplhmhpnb`mm` аплазия тимуса - синдром Di George, который проявляется отсутствием Т-клеток и Т-зависимых функций иммунной системы. Имеющиеся единичные Т-лимфоциты дефектны по поверхностным маркерам и ответу на митогены. При этом количество В-лимфоцитов, плазматических клеток, уровни иммуноглобулинов могут быть близки к норме. Но способность к гуморальному ответу на вакцинацию нарушена в связи с отсутствием Т-хелперов. Единственный способ коррекции такого дефекта - пересадка тимуса от менее чем 14-недельного плода. На этом сроке развития плода, когда зрелых тимоцитов, способных вызвать РТПХ, еще нет, тимус содержит достаточно тимических эпителиальных клеток, чтобы обеспечить успешное развитие Т-лимфоцитов из собственных костномозговых предшественников реципиента [9].

Вторичные - периферические органы иммунной системы

Периферические органы иммунной системы - лимфатические узлы, селезенка и лимфоидная ткань, ассоциированная со слизистыми - являются местом встречи антигенов с иммунокомпетентными клетками, местом распознавания антигена и развития специфического иммунного ответа, местом взаимодействия иммунокомпетентных клеток, их пролиферации (клональной экспансии), антиген-зависимой дифференцировки и местом накопления продуктов иммунного ответа.

Лимфатические узлы

Лимфатические узлы функционируют в качестве своеобразных фильтров лимфы, задерживая микроорганизмы и другие частицы, попавшие в лимфу. Вместе с тем лимфоузлы являются местом взаимодействия иммунокомпетентных клеток в ходе специфического иммунного ответа, местом синтеза антител-иммуноглобулинов, местом, где разыгрываются события клеточно-опосредованного иммунитета.

Один лимфоузел имеет массу около 1 грамма, содержит приблизительно 2000 миллионов лимфоцитов, что соответствует 25% всех циркулирующих в крови лимфоцитов. Каждый час из лимфоузла выходит в лимфу количество лимфоцитов, эквивалентное его утроенному весу. Большая часть (90%) клеток в этой эфферентной лимфе представляют собой лимфоциты, покинувшие кровяное русло на территории этого лимфоузла. Меченые лимфоциты, введенные в кровь, снова оказываются в лимфе уже через несколько часов, достигая максимума через 20 часов. Среди клеток лимфоузла около 10% составляют макрофаги и около 1% - дендритные клетки.