Основы иммунологии. Учебно-методическое пособие

Министерство просвещения Российской Федерации

ФГБОУ ВО «Тульский государственный педагогический университет им. Л. Н. Толстого»

ОСНОВЫ ИММУНОЛОГИИ

Учебно-методическое пособие

Тула ТГПУ им. Л. Н. Толстого

2021

1

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Данное учебно-методическое пособие разработано для студентов ФГБОУ ВО «ТГПУ им. Л. Н. Толстого» (направление подготовки 44.03.05 «Педагогическоеобразование») сцелью повышенияэффективности освоениядисциплин «Основыиммунологии», «Физиологиячеловекаиживотных», атакжедляповышения квалификации педагогических работников по иммунологии, что особенно актуально в условиях борьбы с пандемией, вызванной корона-вирусной инфекцией.

Дисциплина «Основы иммунологии» входит в учебный план бакалавриата по направлению подготовки «Педагогическое образование» профили «Биология» и «Химия». Материалы, представленные в пособии, могут быть использованы при изучении темы «Иммунитет. Иммунная система организма» в курсе «Физиология человека и животных», который также включен в учебный план направления подготовки «Педагогическое образование» профили «Биология» и «Химия». Кроме того, в условиях пандемии, связанной с распространением COVID-19, материалы данного пособия могут быть использованы для просветительской деятельности среди разных групп населения и в ходе повышения квалификации работников образования.

Пособие содержит теоретические материалы, методические рекомендации к практическим работам, примерные планы семинарских занятий, практические задания и тестовые работы для контроля освоения материала, а также список рекомендованной литературы.

3

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

ИММУНИТЕТ. ИММУННАЯ СИСТЕМА

Вопросы

1.Иммунитет

2.Иммунная система

3.Клонально-селекционная теория

4.Антигены и антитела

5.Виды иммунитета (естественный и искусственный, врожденный и приобретенный, специфический и неспецифический, клеточный и гуморальный, активный и пассивный)

6.Общаясхемаиммунногоответа. Понятиеопервичномивторичномиммунномответе

7.Формы иммунного ответа.

8.Иммунодефициты

9.Связь нервной и иммунной систем

1. Иммунитет – способность организма противостоять генетически чужеродным агентам и тем самым сохранять собственную целостность и биологическую индивидуальность.

История развития представлений об иммунитете тесно связана с борьбой против инфекционныхзаболеваний, представлявших угрозу выживанию человечества. Поэтому, в обыденном сознании, иммунитет ассоциируется с борьбой противинфекционныхзаболеваний. Насамомделе, иммунитет– этозащитапротив любого генетически чужеродного материала. Это могут быть живые организмы: бактерии, вирусы, простейшие, грибы, гельминты. Это могут быть яды, токсины, молекулы белков, нуклеиновых кислот, а также клетки и органы чужого организма, и даже собственные клетки организма (аутоиммунитет) и т. д. Поэтому различают противоинфекционный, противовирусный, противотрансплантационный, противотоксический иммунитет и др. виды

2. Иммунная система

Для иммунной защиты организм имеет иммунную систему, которая состоит из органов и иммунокомпетентных клеток.

Органы иммунной системы:

1.Красный костный мозг

2.Тимус (вилочковая железа) и бурса или фабрициева сумка (обнаружена

уптиц)

3.Лимфатические узлы

4.Селезенка

5.Лимфоидная ткань дыхательных (миндалины) и пищеварительных путей (аппендикс, пейеровы бляшки кишечника)

1 и 2 – первичные лимфоидные органы, а 3–6 – вторичные лимфоидные органы.

В органах иммунной системы образуются клетки – защитники (красный костный мозг), дифференцируются лимфоциты (тимус, бурса или фабрициева сумка), работают и размножаются иммунокомпетентные клетки (все остальные органы иммунной системы). При встрече с генетически чужеродным агентом во

4

вторичных лимфоидных органах происходит размножение разновидности (клона) иммунных клеток, способных бороться именно с данным чужаком, т. е. они здесь не образуются, а размножаются.

Иммунокомпетентные клетки – клетки, непосредственно обеспечивающие защитупротив генетически чужеродного материала. К ним преждевсего относятся лейкоциты, особенно нейтрофилы и моноциты, а также макрофаги соединительной ткани, эндотелиальные клетки Купфера, некоторые клетки нейроглии, способные к фагоцитозу, и др. иммуноциты.

Среди лейкоцитов высокой фагоцитарной активностью обладают нейтрофилы и моноциты. В лейкоцитарной формуле на данные клетки приходится до 60 % и 10 % соответственно, поэтому они играют ключевую роль в неспецифической иммунной защите организма. Лимфоциты обеспечивают специфическую иммунную защиту. На них приходится от 20 % до 40 % от общего количества всех лейкоцитов в крови.

Лимфоциты делятся на Т-лимфоциты и В-лимфоциты. Выделяют также третий вид лимфоцитов – NK-лимфоциты или натуральные киллеры. Они уничтожают опухоли и пораженные вирусом клетки. Участвуют в неспецифическом иммунитете.

Все лимфоциты образуются в красном костном мозге. Т-лимфоциты проходятдифференцировкувтимусе, аВ-лимфоциты– вбурсе, котораяобнаружена у птиц, а у человека такого органа нет. Поэтому у человека дифференцировка В-лимфоцитов происходит в красном костном мозге и заканчивается во вторичных лимфоидных органах. Суть дифференцировки сводится к образованию огромного количества клеток-родоначальниц клонов лимфоцитов. Количество таких клонов минимально составляет примерно 106 для Т-лимфоцитов и столько же для В-лимфоцитов. Каждый клон предназначен для борьбы со строго определенным антигеном. Для образования антител В-лимфоциты превращаются в плазматические клетки, которые и продуцируют антитела.

Т-лимфоциты делятся на три группы:

А) киллеры – убийцы, уничтожают опухоли, трансплантаты, инфицированные вирусами клетки;

Б) хелперы – помощники, активируют определенный клон В-лимфоцитов и Т-киллеров;

В) супрессоры – тормозят активность В-лимфоцитов и Т-киллеров.

Все иммуноциты кооперируются между собой в ходе иммунного ответа для эффективной защиты организма. Кооперация осуществляется с помощью гуморальных факторов: интерлейкинов, лимфокинов, простагландинов, кининов, гистамина и др. БАВ.

3. Клонально-селекционная теория

Клонально-селекционнаятеорияпринадлежитавстралийскомувирусологу лауреату Нобелевской премии по физиологии и медицине Фрэнку Макфарлейну Бернету (1957 г.). Согласно этой теории, в организме имеются клоны клеток, иммунокомпетентных в отношении различных антигенов. Количество клонов огромно. Клетки одного клона могут реагировать только на один антиген (избирательность, специфичность), после чего начинается образование антител.

5

Клетки клона обладают специфическими рецепторами для узнавания антигена. Рецепторами являются мембраносвязанные антитела. Секреция антител начинается после активации В-лимфоцитов, что происходит в результате контакта с антигеном, а также под влиянием цитокинов, которые выделяют Т-лимфоциты– хелперы после контакта с тем же антигеном. В результате активации В-лимфо- циты превращаются в плазматические клетки, которые и секретируют антитела.

Таким образом, наличие антител является изначальным, врожденным признаком иммунокомпетентных клеток, т. е. антитела имеются в организме еще до встречи с антигеном, но в мембраносвязанном виде. Фактически организм изначально готов к встрече с огромным множеством антигенов. До появления антигенана10 млн. лимфоцитовприходится1 лимфоцитопределенногоклона. После встречи с антигеном этот лимфоцит начинает активно размножаться, создавая многочисленное потомство, собственно сам клон, как группу одинаковых клеток, способныхкборьбесданнымантигеном. Эффективностьиммуннойзащиты зависит от времени, необходимого для создания «армии» клеток нужного клона

иобразования антител. Если это время будет короче, чем время размножения генетического чужака в организме, то, скорее всего, иммунная система сможет

сним справиться. Успешность иммунной защиты зависит также от количества генетическичужеродногоматериала, попавшеговорганизм, иоттого, насколько опасен «враг» для здоровья человека, т. е. от того какие органы он поражает

икак быстро развивается патологический процесс.

Напомним, что лейкоциты – это единственные клетки крови, способные к размножению. У них есть ядра. Вероятно, поэтому лейкоцитов в крови гораздо меньше, чем остальных клеток, а при воспалении, например, их количество значительно возрастает. Размножение происходит во вторичных лимфоидных органах: лимфатическихузлах, селезенке, миндалинах, аппендиксеит. д. Этиорганы получили название лимфоидных, т. к. являются хранилищем огромного количества лимфоцитов. Некоторые из лимфоидных органов не имеют связи с лимфатической системой (тимус, селезенка, например). Поэтому термины лимфоидный и лимфатический неоднозначны.

4. Антигены и антитела

Антиген – чужеродное вещество, которое может попадать в организм в очищенном виде, или в составе какого-то биологического материала: клеток, органов, паразитических организмов, вирусов, в том числе в составе клеток собственного организма (опухоли, аутоиммунные заболевания).

Свойства антигена: 1. индуцирует образование антител; 2. вступает во взаимодействие с антителами. Наиболее высокой антигенной активностью обладают белки, на втором месте стоят нуклеиновые кислоты и на третьем – полисахара.

Антитела – защитные вещества специфического действия, т. е. способные взаимодействовать со строго определенным антигеном. Следствием подобного взаимодействия является разрушение антигена и биологической структуры, являющейся носителем антигена. По характеру взаимодействия антигенов и антителразличаютантитела– агглютинины, антитела– лизины, антителаопсонины, антитела – преципитины.

6

По химическойприродеантителаявляютсягликопротеидами, всоставекоторых белок-глобулин (γ-глобулин), поэтому антитела называют иммуноглобулинами. Различают 5 классов антител: IgA, IgG, IgM, IgD, IgE.

Вначалеиммуннойреакциивыделяются малоактивныеиммуноглобулины класса М. Самыми активными являются иммуноглобулины класса G, но они появляются не сразу.

IgA – доминирующие иммуноглобулины секретов организма: слюны и др. пищеварительных соков, молока, слизи выделяемой слизистыми железами дыхательных путей. Они создают «первую линию обороны» на слизистых оболочках, препятствуя проникновению вирусов, нейтрализуя бактерии и токсины. Присутствуявмолозиве, IgA обеспечиваютспецифическийиммунитетноворожденных, защищая от болезней, которыми переболела мать.

IgE – доминируют при аллергических реакциях.

IgD присутствуютвоченьнебольшихколичествах, работаютнаповерхности В-лимфоцитов и, возможно, нарядус IgM выполняют рецепторную функцию.

IgM – наиболее ранние антитела в иммунном ответе, они раньше всего появляются как в онто-, так и в филогенезе. Наибольшую активность проявляют вантибактериальномиммунитете. Мономернаяформаиграетрольмембраносвязанныхрецепторов В-лимфоцитов, а пентамерная форма – роль свободныхантител, выделяемых В-лимфоцитами.

IgG – доминируют количественно, т. к. составляют 75 % всех иммуноглобулинов сыворотки крови. Обеспечивают антибактериальную защиту путем комплемент-зависимого лизиса бактерий (связь с неспецифическим гуморальным иммунитетом); повышают реактивность аллергического типа; цитотоксичны для трансплантатов и опухолей через активацию макрофагов, к которым они присоединяются (связь с неспецифическим клеточным иммунитетом); легко проникают через плаценту, обеспечивая защитуплода. Таким образом, специфическийинеспецифический, клеточныйигуморальныйвидыиммунитетасвязаны между собой и работают как единая система.

5. Виды иммунитета

Понятие о специфическом и неспецифическом иммунитете основано на степени избирательности иммунной реакции. Специфический иммунитет обладает высокой избирательностью реакций: для каждого генетически чужеродного агента существует свой механизм уничтожения. Антиген активирует специфические клоны Т- и В-лимфоцитов, которые предназначены для уничтожения именно этого антигена. Клетки данного клона имеют рецепторы к данному антигену. В качестве рецепторов выступают мембраносвязанные антитела. После контакта с антигеном клетки соотвествующего клона лимфоцитов начинают размножаться и уничтожают антиген или биологическую структуру, являющуюся носителем данного антигена.

Неспецифическийиммунитетнеобладаетизбирательностьюотносительно антигенов. Любой чужеродный агент уничтожается одними и теми же клетками или веществами. Например, фагоцитирующим клеткам безразлично, с каким «чужаком» они столкнулись. Они пожирают все подряд. Таким образом, под неспецифичесикмиммунитетомпонимаетсяспособностьорганизмапротивостоять

7

действию чужеродных агентов стереотипными механизмами, выработанными в процессе многовековой эволюции (защитные рефлексы, повышение температуры, воспаление, фагоцитоз, понос, рвота, выделениемочи, потоотделение, слущивание эпителия и т. д.).

Понятие о клеточном и гуморальном иммунитете

Воснове классификации лежит механизм иммунной реакции.

Вслучае клеточного иммунитета генетически чужеродный материал уничтожается с помощью внутриклеточных ферментов. Неспецифический клеточный иммунитет осуществляется с помощью фагоцитирующих клеток, а специфическийспомощью Т-лимфоцитов. Т-лимфоцитыфагоцитозомнезанимаются, но уничтожают чужеродную клетку с помощью своих ферментов и БАВ.

Вслучае гуморального иммунитета антигены уничтожаются с помощью веществ, находящихся во внутренней среде организма и секретах желез. К факторам неспецифического гуморального иммунитета относятся лизоцим слюны

ислезной жидкости, соляная кислота желудочного сока, интерферон, выделяемый, в частности, моноцитами, пропердин крови, система комплемента (белковыйкомплексплазмыкрови) ит.д. Специфическийгуморальныйиммунитетосу-

ществляется с помощью антител, образование которых является функцией В-лимфоцитов. Клетки каждого отдельного клона В-лимфоцитов отвечают за продукцию только одного вида антител, активных в отношении одного единственного антигена.

Понятие о врожденном и приобретенном иммунитете

Врожденный иммунитет генетически обусловлен, т. е. имеет наследственную природу, обусловлен биологическими особенностями организма. Он носит как видовой, так и индивидуальный характер. Например, чумкой, которой подвержены кошки и собаки, никогда не болеет человек, а люди, проживающие в одних и тех же условиях, оказываются неодинаково восприимчивыми к одним и тем же инфекциям. Врожденный иммунитет не специфичен в отношении антигенов. Весьма стойкий, но не абсолютный. Зависит от возраста, пола, климатических условий, сезона, социально-экономических условий жизни, условий среды, функционального и физиологического состояния организма. Например, лягушка, помещенная в термостат при температуре 37оС, заболела столбняком, хотя лягушки устойчивы к данному возбудителю. Люди, живущие в условиях хронического стресса, резкой смены биоритмов и динамического стереотипа обычно имеют сниженный иммунитет.

Приобретенный иммунитет человек и животные получают в течение жизни. Он всегда специфичен относительно антигена, не передается по наследству, отличается образованием антител, но формируется при участии факторов неспецифического иммунитета. Приобретенный иммунитет делят на активный и пассивный

Понятие об активном и пассивном иммунитете

Активный иммунитет связан с выработкой антител и формированием Т- и В- лимфоцитов памяти. Он может возникать естественным путем в результате перенесенного заболевания и искусственным путем, как результат вакцинации (прививки).

8

Пассивный иммунитет связан с получением готовых антител. Это может происходить естественным путем, например, через плаценту и с молоком матери. Искусственно получить готовые антитела можно с помощью сыворотки. Естественный пассивный иммунитет сохраняется в течение несколькихмесяцев, а искусственный пассивный – в течение примерно 2-х недель.

Понятие о естественном и искусственном иммунитете

Естественный иммунитет не надо формировать. Он является либо врожденным, либо возникает в результате инфекционного заболевания (приобретенный активный), или за счет антител, полученных от матери через плаценту и грудное молоко (приобретенный пассивный). Искусственный иммунитет возникает после введения иммунологических препаратов, созданных человеком: вакцины (приобретенный активный) или сыворотки (приобретенный пассивный).

6. Общая схема иммунного ответа. Понятие о первичном и вторичном иммунном ответе

При первичной встрече с антигеном иммунный ответ развивается примерно по такой схеме:

Из данной схемы видно:

1.Все иммунокомпетентные клетки связаны между собой, т.е. кооперируются для ответа с помощью химических посредников;

2.Механизмы специфического и неспецифического иммунитета связаны между собой и являются составляющими единого процесса иммунной защиты;

3.Результатом иммунного ответа является не только образование антител,

но и формирование иммунологической памяти в виде высокочувствительных

кданному антигену Т- и В-лимфоцитов;

4.Антитела образуются плазматическими клетками, в которые превращаются В-лимфоциты. До активации антигеном В-лимфоцит не выделяет антитела. Вышемыговорилио том, чтоантитела выполняютфункциюмембранныхрецепторов. Авотплазматическаяклетка ужевыделяетантителавовнутреннююсреду организма.

На весь процесс тратится довольно много времени: от 3–4 до 8–10 и более дней. Поэтомупервичная встреча с антигеном иногда заканчивается гибелью организма или возникновением необратимых изменений. Например, сибирская язва заканчивается летальным исходом через 48–72 часа после попадания в организм, а от полиомиелита человек не умирает, но остается инвалидом. Иммун-

ная система опаздывает с защитой.

9

Предотвратить последствия можно с помощью введения соответствующей сыворотки с готовыми антителами, которые обеспечивают защиту в среднем на 2 недели. За это время организм сам нарабатывает нужное количество антител.

Можно предотвратить тяжелое течение инфекции и гибель организма спомощью вакцин. Вакцины могут содержать либо ослабленных, либо убитых возбудителей, либоотдельныеантигенные комплексы(детерминанты) возбудителя, либо искусственно синтезированные антигены возбудителя. В первом случае возникает самый стойкий иммунитет, но такие вакцины в настоящее время не очень широко используются, т.к. дают самую большую нагрузку на организм и обладают большим количеством побочных эффектов. Изготовление таких вакцинсвязаносбольшимрискомутечкиинфекционногоагента. Поэтомубольшинство стран мира отказалось от производства подобного прививочного материала. ПримеромтакойвакциныотCOVID-19 являетсявакцинаКовиВакфедерального научного центра исследований и разработки ИЛП им. Чумакова (Россия).

Что же происходит в результате вакцинации? Организм перебаливает в легкой форме в случае применения вакцин, содержащихослабленных возбудителей, т.е. в случае использования живых вакцин, но это уже в прошлом. Все другие виды вакцин заставляют организм вырабатывать антитела, на отдельные антигены возбудителя и, самое главное, формировать иммунологическую память. Т- и В-лимфоциты – памяти при повторной встрече с антигеном активируются немедленно, процесс образования антител идет быстро (латентный период измеряется не сутками, а часами!) и эффективно (титр антител достигает более высоких значений, чем при первичном ответе). При этом сразу образуются высокоактивные антитела класса G, а при первичном ответе сначала образуются малоактивные IgM и не всегда IgА и IgЕ. Такие отличия первичного и вторичного иммунного ответов были выявлены в экспериментах с введением одного и того же антигена с разницей в 2-3 недели.

Современные вакцины осуществляют доставку антигена в организм с помощью векторов, в качестве которых выступают другие, гораздо менее опасные, или практически безопасные микроорганизмы, в чей генетический аппарат встроена информация об антигене. В организме человека и животных вектор попадает в клетки и начинает синтезировать белок (антиген) возбудителя, против которого предназначена вакцина. Иммунная система реагирует на данный антиген синтезом антител и формированием иммунологической памяти. Заболеть от подобной вакцины нельзя, а вызвать первичный иммунный ответ и тем самым защититьсебяотвстречис настоящимживымвозбудителемзаболеванияможно. Самвекторприизготовлениивакцинылишаетсявозможностиразмножаться, поэтому быстро погибает в организме человека и животных. Однако, в ответ на вторжение микроорганизма-вектора человек может отреагировать повышением температуры, потому что это все-таки вторжение генетически чужеродного материала. Но такая реакция является кратковременной и наблюдается далеко не у всех вакцинированных, в соответствии с индивидуальными особенностями организма. К векторному типу вакцин относятся некоторые современные вакцины против корона-вируса. Например, вакцины Спутник V и Спутник Лайт Центра имени Гамалеи (Россия), AstraZeneca (Британия-Швеция).

10