13

Военно-медицинская академия

Кафедра клинической биохимии и лабораторной диагностики

Для преподавателей

«УТВЕРЖДАЮ»:

Начальник кафедры

клинической биохимии и

лабораторной диагностики

полковник м/с

______________________/А.И.КАРПИЩЕНКО/

«____»__________1999 г.

Доктор медицинских наук, профессор, полковник м/с Пастушенков В.Л.

ЛЕКЦИЯ

по клинической лабораторной диагностике

СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИЯ ИММУННОЙ СИСТЕМЫ.

Структура иммунной системы. Центральные и периферические лимфоидные органы. Биохимические закономерности онтогенеза иммунокомпетентных клеток. Метаболические маркеры дифференцировки иммуноцитов. Роль цитомединов в регуляции дифференцировки Т-лимфоцитов. Субпопуляционный состав Т- и В-лимфоцитов.

для слушателей I и VI факультетов и клинических ординаторов

Обсуждена на заседании

кафедры

«___»__________________________

Дополнена___________

Санкт-Петербург

1999

Содержание

Введение.

1. Структура иммунной системы.

2. Центральные и периферические лимфоидные органы..

3. Биохимические закономерности онтогенеза иммунокомпетентных клеток..

4. Роль цитомединов в регуляции развития Т-лимфоцитов

5. Метаболические маркеры дифференцировки иммуноцитов.

6. Субпопуляционный состав Т- и В-лимфоцитов.

7. Заключение.

Литература

а) использованная при подготовке текста лекции:

1. Алмазов В.А., Афанасьев Н.Н., Зарецкий А.Ю. и др. Физиология лейкоцитов.- Л.: Наука, 1979.

2. Йегер Л. Клиническая иммунология и аллергология.- Т. 1.-М.: Медицина, 1990.

3. Королюк А.М.,Ремизов П.И. Медицинская иммунология / Учебное пособие.- Л., 1981.

4. Кульберг А.Я. Молекулярная иммунология.- М.: Высшая школа, 1985.

5. Маянский А.Н., Маянский Д.Н. Очерки о нейтрофиле и макрофаге.- Новосибирск: Наука, 1983.

6. Маянский Д.Н. Клетка Купфера и система мононуклеарных фагоцитов.- Новосибирск: Наука, 1981.

7. Петров Р.В. Иммунология.- М.: Медицина,1987.

8. Петров Р.В., Атауллаханов Р.И. Клеточные мембраны и иммунитет.- М.: Высшая школа, 1991.

9. Сапин М.Р., Этинген Л.Е. Иммунная система человека.- М.:Медицина, 1998

10. Стефани Д.В., Вельтищев Ю.Е. Иммунология и иммунопатология детского возраста.- М.: Медицина, 1996.

11. Сохина А.А., Чернушенко Е.Ф. Прикладная иммунология. Киев: Здоровье, 1984.

12. Учитель И.Я. Макрофаги в иммунитете.- М.: Медицина,1978.

13. Чернух А.М. Воспаление.- М.: Медицина, 1979.

14. Щелкунов С.И. Основные принципы клеточной дифференцировки.- М.: Медицина, 1977.

б) рекомендуемая слушателям и курсантам для самостоятельной работы по теме лекции

1. Ройт А. Основы иммунологии. – М.: Мир, 1991.-327 с.

2. Королюк А.М.,Ремизов П.И. Медицинская иммунология / Учебное пособие.- Л., 1981.

3. Кульберг А.Я. Молекулярная иммунология.- М.: Высшая школа, 1985.

4. Маянский А.Н., Маянский Д.Н. Очерки о нейтрофиле и макрофаге.- Новосибирск: Наука, 1983.

5. Петров Р.В. Иммунология.- М.: Медицина,1987.

Наглядные пособия: схемы, таблицы и слайды в соответствии с каталогом кафедры.

Технические средства обучения: кодаскоп.

Подпись автора______________________ Дата________________

Введение

В настоящем и будущем иммунология как фундаментальная и прикладная наука останется «точкой роста» многих важнейших биомедицинских направлений, способствуя их интеграции. Знание основ иммунологии необходимо для специалистов разной практической ориентации. Приоритетность, актуальность и быстрота обновления иммунологических знаний иллюстрируется и тем, что в последние годы за решение иммунологических проблем получено больше половины Нобелевских премий по медицине и физиологии.

Назначение иммунной системы состоит в защите организма от внешней (инфекции) и внутренней (опухоли) биологической агрессии. Для опознания агрессивных агентов эволюционно выработалась стратегия, основанная на обнаружении чужеродных для данного организма макромолекул, обычно присутствующих в составе инфекционных агентов и мутантных клеток и поэтому являющихся едва ли не самыми надежными маркерами потенциальной опасности, которая содержится в «чужом».

Структура иммунной системы

Иммунная система человека, призванная поддерживать антигенно-структурный гомеостаз индивидуума, осуществляет свои функции за счет неспецифической резистентности и иммунитета.

Неспецифическая резистентность (в настоящее время чаще употребляют термин «эффекторное звено иммунитета») определяет первый рубеж защитных сил организма. Она представлена гуморальными (комплемент, интерфероны, лизоцим, -лизины и др.) и клеточными (нейтрофильные лейкоциты, моноциты) факторами защиты. Неспецифическая резистентность стереотипна. Она не дифференцирует антигены.

Главным гуморальным фактором эффекторного звена иммунитета является комплемент – сложный комплекс белков сыворотки крови (около 20), которые участвуют в уничтожении чужеродных антигенов, активации свертывания крови, образовании кининов. Для комплемента характерно формирование быстрого, многократно усиливающегося ответа на первичный сигнал за счет каскадности процесса. Комплемент может активироваться двумя путями: классическим и альтернативным. В первом случае активация происходит вследствие присоединения комплемента к иммунному комплексу (антиген-антитело), а во втором – в результате связывания с липополисахаридами клеточной стенки микроорганизмов или с эндотоксинами. Независимо от пути активации в итоге образуется мембраноатакующий комплекс белков комплемента, разрушающий патоген. Комплементом называют многокомпонентную самособирающуюся систему белков крови, которая играет одну из ключевых ролей в поддержании иммунного гомеостаза.

Со времени открытия комплемента как антимикробного фактора прошло 100 лет. Однако только в последние два десятилетия достижения в области биохимии, молекулярной биологии и биотехнологии позволили охарактеризовать белок и ферменты комплемента, определить их физико-химические свойства, показать биологическую и клиническую значимость комплементарной системы.

Согласно современным представлениям комплемент является многокомпонентной системой белков (более 20), ферментов, регуляторов, содержащихся в плазме крови в форме проферментов (эстеразы, протеиназы) или белков, не обладающих ферментативной активностью, и ингибиторов системы комплемента с ферментативной активностью и без таковой.

Комплемент, как физиологическая составная часть плазмы, определяется уже в эмбриональной стадии развития плода, в отличие от антител, которые в дееспособных количествах появляются только после иммунизации. Учитывая тот факт, что комплементарные белки не проникают через плацентарный барьер, наличие шести его компонентов (С1q – C5 , C1h) в сыворотке крови эмбриона в первом триместре беременности доказывает наличие синтеза белков комплемента внутриутробно.

Биологическое значение комплемента очень велико. Основными функциями его являются распознавание, лизис и элиминация генетически чужеродного материала из организма. Мембраны многих подвижных и неподвижных клеток организма имеют рецепторы к соответствующим компонентам комплемента, что определяет комплемент как важный гуморальный фактор воспалительных реакций и как посредник между специфическими и неспецифическими звеньями иммунореактивности организма, а также между иммунной, кининовой и свертывающей системами.

В последние годы показано взаимодействие комплемента с бактериальными, вирусинфицированными и опухолевыми клетками. Изучение молекулярных механизмов такого рода взаимодействий ведет к пониманию причин устойчивости чужеродных клеток, а в перспективе позволит подойти к решению вопросов о создании антибактериальных, антивирусных, противоопухолевых препаратов.

Установлено патогенетическое значение комплемента при аутоиммунных заболеваниях.

Процесс активации комплемента носит характер гетерофазного катализа, т.е. каждый новый фермент каскада функционирует после спонтанного связывания с клеточной поверхностью. Последняя защищает фермент от инактивации.

Для осуществления всего каскада реакций не требуется внешних (вне системы комплемента) источников ферментов. В силу крайне малой продолжительности жизни компонентов в активированной форме образующиеся при активации комплемента протеиназы или эстеразы не оказывают определяемого влияния на другие субстраты, присутствующие в крови (например, другие сывороточные белки). Следовательно, ферменты системы комплемента «настроены» для работы только на компоненты системы.

В ходе каждой протеолитической реакции образуется два пептида: один с большой молекулярной массой, другой с меньшей. Крупный пептид представляет собой новую протеазу и, в свою очередь, способен расщеплять следующий белок сыворотки. Пептид с меньшей молекулярной массой, образующийся в результате реакции, относят к продуктам расщепления, многие из которых в качестве гуморальных медиаторов выполняют важные биологические функции.

Существуют два параллельных и независимых механизма активации комплемента: классический и альтернативный.

Классический путь активации комплемента.

Инициаторами активации классического пути являются, в первую очередь, иммунные комплексы, а также агрегированные гамма-глобулины, С-реактивный белок, некоторые бактериальные клетки.

Только два класса антител – IgM и IgG – обеспечивают активацию благодаря наличию в их молекулах эффекторных центров для С1q – первого субкомпонента первого компонента системы. После фиксации фрагмента С1q на Fc-фрагменте антител, соединенных с антигеном, образовавшийся комплекс Аг-Ат-С1q активирует С1r, который, в свою очередь, активирует C1s, приобретающий эстеразную активность. Активированный С1s катализирует превращение С4 с образованием С4а и С4b. C4b присоединяется к С1 и образуется новый комплекс Аг-Ат-С1-С4b.

Активация С1 комплекса происходит в присутствии ионов Са²⁺. Активация С2 происходит в присутствии ионов Mg²⁺ и приводит к образованию Аг-Ат-С1-С4b2а, который является С3-конвертазой. Это ключевой фермент активации классического пути, который расщепляет следующий в цепочке реакций компонент С3.

С3 ^C4b2aC3b + C3a

С3b присоединяется к предыдущему компоненту, образуя новый комплекс Аг-Ат-С14b2a3b, обладающий энзиматической активностью в отношении компонента С5.

С5 расщепляется на малый фрагмент С5а и большой С5b. Фрагмент С5b соединяется с компонентами С6 и С7 и весь комплекс С5b67 присоединяется к цитомембране.

После присоединения к комплексу С1,4b,2а3b5b67 компонента С8 инициируется медленный лизис клетки путем образования функционального трансмембранного канала. Скорость лизиса значительно усиливается при связывании от одной до шести молекул С9.

С5-9 мембраноатакующий комплекс (МАК) имеет внутренний диаметр около 10нм. Его проникновение через мембрану создает канал, через который могут проходить белковые молекулы.

В процессе каскадной реакции на цитомембране клетки-мишени образуются два каталитических центра и мембраноатакующий центр, места фиксации которых не совпадают.

Повреждающее действие комплемента ограничивается только клетками, адсорбирующими комплекс Аг-Ат. Находящиеся рядом клетки не повреждаются.

Альтернативный путь активации комплемента.

Образование С3-конвертазы – центрального момента реакции связывания комплемента – может осуществляться и без участия первых трех компонентов классического пути С1, С4 и С2 и в отсутствие комплекса Аг-Ат. В середине 50-х годов P.Pillemer обнаружил возможность активирования комплемента без участия специфических антител. Другой (альтернативный) путь активации комплементного каскада начинается с расщепления С3 и является неиммунным механизмом защиты против бактерий, вирусов, вирусинфицированных клеток, грибов, опухолевых клеток и т.д.

Этот путь активации также называется пропердиновым, ввиду участия пропердина в каскаде в роли стабилизатора С3-конвертазы. В альтернативном пути активации принимают участие следующие белки: С3 компонент, факторы B и D, регулирующие белки H и I.

Активация альтернативным путем требует присоединения к поверхности клетки С3b молекулы, которая первоначально может образоваться классическим путем или же в результате расщепления С3 сывороточными или микробными протеазами. С3b- короткоживущий фрагмент: если в течение миллисекунд он не связывается с поверхностью, происходит его инактивация. В норме в плазме крови содержится активированный фактор D, под его влиянием происходит образование Bb. Он активен только в комплексе с С3b. С3Bb характеризуется свойствами С3-конвертазы альтернативного пути. С3bBb – очень нестойкий комплекс. Он стабилизируется в результате присоединения к нему пропердина, который защищает комплекс от действия С3b инактиватора.

Последующие этапы активации не отличаются от классического пути. В дальнейшем при соединении терминальных компонентов С6, С7, С8 и С9 на клеточной мембране происходит сборка МАК, общего для обоих путей активации. В этих процессах важную роль играют ионы Са²⁺ и Mg²⁺.

Механизм альтернативного цитолиза практически ничем не отличается от классического, но он несколько слабее. Через отверстия, образуемые МАК, внутрь клетки поступает вода и содержащиеся в ней ионы,. В результате чего клетка разбухает и лопается. Установлено, что для лизиса эритроцита достаточно одного канала, в то время как для лизиса ядросодержащих клеток необходимы множественные повреждения, так как в их мембране происходят восстановительные реакции.

Интерфероны (ИФН) – второй по значимости гуморальный фактор неспецифической резистентности. Это группа белков, вырабатываемых различными клетками в ответ на индукцию микробами, вирусами, ксеногенными клетками, а также опухолевыми и вирустрансформированными клетками собственного организма. ИФН- продуцируется в основном макрофагами и В-лимфоцитами, ИФН- - клетками фибробластного и эпителиоидного типов, ИФН- - Т-лимфоцитами.

Кроме комплемента и интерферонов к гуморальным факторам относятся лизоцим и -лизины. Суть действия данных веществ заключается в том, что, являясь ферментами, они разрушают липополисахариды в составе клеточной стенки микроорганизмов. -лизины в отличие от лизоцима вырабатываются в стрессорных ситуациях. К этой же группе факторов относятся С-реактивный белок и другие белки острой фазы, лактоферрин, пропердин.

Клеточная составляющая эффекторного звена иммунитета представлена фагоцитами: макрофагами (моноцитами) и микрофагами (нейтрофилами). Эти клетки наделены тремя свойствами, позволяющими обеспечить фагоцитоз:

1. хемотаксисом - направленным движением к объекту фагоцитоза;

2. адгезивностью – способностью фиксироваться на объекте фагоцитоза;

3. биоцидностью – способностью поглощать и переваривать объект фагоцитоза.

Биоцидность обеспечивается двумя механизмами – кислородзависимым и кислороднезависимым. Кислородзависимый механизм связан с активацией мембранных ферментов (НАД-оксидазы и др.) и выработкой биоцидных соединений - свободных гидроксильных радикалов, которые образуются из НАДФН и кислорода. Кислороднезависимый механизм осуществляют ферменты лизосом, которые синтезируются в процессе костно-мозгового кроветворения. Только сочетание обоих механизмов делает возможным полное уничтожение и переваривание объекта фагоцитоза.

Кислородзависимый механизм биоцидности: в результате резкой активации фермента НАДФ-оксидазы, связанной с мембраной фагоцита, генерируется НАДФН, который используется для восстановления молекулярного кислорода, связанного с уникальным мембранным цитохромом (Cyt b-245), что вызывает бурное потребление кислорода, т.н. «кислородный взрыв». В это же время активируется фермент аденилатциклаза (АЦ).

АЦ

АТФ---------цАМФ----------протеинкиназа------- фосфорилирование белков

В результате запуска этих ферментных систем генерируются:

надпероксидный анион О₂^-;

активный кислород ¹О₂;

пероксид водорода Н ₂О₂;

гидроксильный радикал ОН

Все они служат мощными бактерицидными агентами. Более того, сочетание пероксида, миелопероксидазы и ионов галогенов создает мощную систему галогенирования, способную вызвать гибель как бактерий, так и вирусов. При этом происходит повышение уровня перекисного окисления липидов. При гипоксии активируется образование свободных радикалов. И чем их больше, тем хуже для клетки. В клеточной мембране есть вещества, регулирующие уровень свободных радикалов. Это – антиоксиданты. Среди них есть органические соединения: ароматические, небелковые вещества, мочевая кислота, билирубин, витамины А,Е,F,D.Они связывают и нейтрализуют свободные радикалы. Неорганические антиоксиданты – это металлы переменной валентности Fe²⁺ - Fe³⁺, а также белки, содержащие ионы металлов: церулоплазмин, миоглобин. Генерализация перекисного окисления липидов приводит к активации О₂-зависимого фагоцитоза. И, наоборот, фагоцитарная активность клетки может приводить к активации перекисного окисления липидов.

Кислороднезависимый механизм биоцидности.

Кислороднезависимая биоцидность фагоцитов связана с их лизосомальной системой. Лизосомы содержат катионные белки, которые закладываются при костномозговом кроветворении и никогда не ресинтезируются. Поэтому уровень катионных белков характеризует функциональное состояние кроветворения и кислороднезависимую биоцидность. Эти белки разрушают бактериальную мембрану как за счет протеиназного эффекта, так и за счет непосредственного присоединения к поверхности микроорганизма. Низкие значения рН, лизоцим и лактоферрин представляют собой кислороднезависимые бактерицидные и бактериостатические факторы, которые могут действовать в анаэробных условиях. В конце концов убитые микроорганизмы расщепляются гидролитиче скими ферментами, и продукты деградации высвобождаются из клетки.

Катионные белки (+катепсин С)--------- повреждение микроорганизмов.

Лизоцим (мурамидаза)---------- расщепление муцкопептидов клеточной стенки бактерий.

Лактоферрин------- лишение пролиферирующих бактерий железа.

Протеазы и другие гидролазы (кислые)------- переваривание убитых микроорганизмов.

Эффективность антимикробной защиты во многом зависит от взаимной сбалансированности двух механизмов биоцидности, от условий, в которых протекает фагоцитоз, и вида микроба. Повреждение отдельных звеньев ослабляет нейтрофил, но не делает его вовсе беспомощным в защите от инфекционных агентов.

Специфическая резистентность или иммунитет обеспечивается двумя типами клеток – лимфоцитами и макрофагами. И те, и другие происходят из полипотентной стволовой клетки (ППСК) костного мозга, а их созревание под влиянием различных веществ (антигенов, гормонов, лимфокинов и др.) продолжается в иммунокомпетентных органах.

Основной клеткой иммунной системы является лимфоцит. Лимфоциты делятся на Т- и В-популяции и проходят два этапа дифференцировки: антигеннезависимый и антигензависимый. Первый этап осуществляется в центральных иммунокомпетентных органах (тимус, костный мозг), а второй – в периферических (лимфатические узлы, пейеровы бляшки, селезенка).

Т-лимфоциты осуществляют клеточные реакции иммунитета и проходят процесс дифференцировки в тимусе (вилочковой железе), отсюда их название.

В-лимфоциты созревают в костном мозге. Основная их функция – выработка антител (белков, способных связываться с чужеродными веществами, клетками и различными патогенами). Известны 5 классов иммуноглобулинов (антител): А, М, G, D, E. Иммуноглобулины взаимодействуют с комплементом, фагоцитами, тучными клетками, что в результате обеспечивает разрушение и элиминацию антигенного объекта.

Главной функцией макрофагов является подготовка антигенов, которая заключается в частичном их переваривании с последующим представлением на своей поверхности антигенных эпитопов для узнавания лимфоцитами, что получило название «репрезентация антигена». Кроме того, макрофаги вырабатывают ряд лимфокинов – регуляторных белков, медиаторов клеточного иммунитета.

Еще одна важная группа иммуноцитов – естественные (нормальные) киллеры. Они специализируются на уничтожении переродившихся клеток и играют значительную роль в противоопухолевом иммунитете.